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WO2024218453A1 - Systeme de prélevement de gaz dans un milieu poreux solide - Google Patents

Systeme de prélevement de gaz dans un milieu poreux solide Download PDF

Info

Publication number
WO2024218453A1
WO2024218453A1 PCT/FR2024/050504 FR2024050504W WO2024218453A1 WO 2024218453 A1 WO2024218453 A1 WO 2024218453A1 FR 2024050504 W FR2024050504 W FR 2024050504W WO 2024218453 A1 WO2024218453 A1 WO 2024218453A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
sampling
pipe
pump
enclosure
Prior art date
Application number
PCT/FR2024/050504
Other languages
English (en)
Inventor
Maria ROSANNE
Serge Junca
Original Assignee
Engie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Engie filed Critical Engie
Publication of WO2024218453A1 publication Critical patent/WO2024218453A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2294—Sampling soil gases or the like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N2001/2285—Details of probe structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Organic compounds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/005—H2
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Definitions

  • the present invention relates to the general field of soil gas characterization. It relates more particularly to a system for sampling gas in a solid porous medium for its analysis. This sampling system aims to collect, in particular for analysis purposes, any type of gas trapped in a porous solid medium, such as hydrogen or helium.
  • hydrogen appears to be a promising candidate to replace oil and its derivatives. Indeed, its use either as fuel in an internal combustion engine when combined with oxygen, or as an energy vector powering a fuel cell, essentially produces water and heat.
  • - pump systems which commonly include a sampling probe, designed to be inserted into the ground, in communication with the measuring chamber, and an internal pump which drains the gases trapped in the ground by suction; and
  • - sampling systems configured to collect gas using a syringe, through a probe inserted into the ground.
  • Active pump systems drain the gas trapped in the porous medium within a radius of action surrounding the sampling probe.
  • This radius of action depends on a number of parameters such as permeability, diffusion coefficient, and pressure and flow rate variations over time.
  • the porous medium is gradually emptied of gas by suction effect. This This peculiarity leads to asphyxiation of the pump due to pressure losses, commonly called “pump depletion”.
  • the range of action of the pump which depends on pressure variations, varies unpredictably; this does not allow us to know with certainty the volume of gas that has been drained by the pump. Since the volume of gas recovered in the measuring chamber cannot be defined, it follows that it is impossible to determine the hydrogen flow based on the measured concentration.
  • the invention aims to overcome the identified drawbacks by proposing a gas sampling system allowing the accurate determination of the hydrogen flow emanating from a porous soil.
  • the invention relates to a system for sampling gas in a solid porous medium, in particular for determining a flow rate of gas diffusing from this solid porous medium, the solid porous medium being limited by a surface, the system comprising:
  • sampling enclosure extending along a longitudinal axis, which is intended to be inserted by a longitudinal insertion end at least partially into the porous medium, this sampling enclosure being delimited by an envelope, a portion of which is permeable to gas to allow the diffusion of gas from the solid porous medium into this sampling enclosure, an outlet orifice being further formed in the envelope;
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, in which the external environment to which the outlet conduit and the second end of the pipe are connected corresponds:
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, in which:
  • the outlet opening, formed in the envelope of the sampling enclosure is adjacent to a longitudinal end of the sampling enclosure which is opposite the insertion end.
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, in which the pipeline comprises a section which comprises the first end which is centered on the longitudinal axis while extending within the sampling enclosure.
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, in which the pipe extends outside the casing while being connected to the sampling enclosure at its first end.
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, comprising a connecting conduit which connects the outlet opening to the outlet conduit, the pump being interposed in this conduit.
  • the invention also relates to a gas sampling system thus defined, in which the control member is a solenoid valve.
  • the invention also relates to a gas analyzer for determining an hourly volume flow rate of gas diffusing from a solid porous medium, comprising a sampling system thus defined, and an instrumented measuring chamber, equipped with a gas concentration measurement sensor, this measuring chamber being connected to the sampling enclosure and to the outlet duct.
  • the invention also relates to a method for measuring the concentration of a gas diffusing from a solid porous medium by means of an analyzer thus defined, the sampling enclosure of which is embedded in the solid porous medium by its insertion end, the method comprising the successive steps of: a) stopping the pump and actuating the control member to block the passage of a gas flow through the pipe, the gas passively diffusing from the porous medium into the sampling chamber; b) actuating the control member to allow the passage of a gas flow through the pipe and starting the pump to pump the gas contained in the sampling chamber to the measuring chamber; c) measuring the concentration of the gas collected in the measuring chamber by the sensor.
  • the invention also relates to a method thus defined, in which the pumping duration of step b) is predefined so that the pump stops before the gas is evacuated through the outlet pipe under the action of the pump.
  • the invention also relates to a method thus defined, further comprising a preliminary step a') of initiating the diffusion of gas, in which the control member is actuated to block the passage of a gas flow through the pipe and the pump is started.
  • FIG.1 is a schematic representation of a gas analyzer according to the invention, comprising a measuring chamber equipped with sensors and a pump sampling system for collecting and conveying gas to the measuring chamber; this system comprising a sampling enclosure, a pipe open to the external environment and which opens into the sampling enclosure, a control member for authorizing or blocking the passage of an air flow along the pipe, and a gas recovery conduit from the sampling enclosure.
  • FIG.2 is a partial sectional view of one embodiment of the system. sampling in which the sampling enclosure has a tubular architecture and the pipeline extends partially coaxially in this sampling enclosure;
  • FIG.3 is a detailed view of Figure 2;
  • FIG.4a is a schematic representation of the gas analyzer according to Figure 1, which illustrates an arrangement of the pump and the control member during a passive diffusion step of gas from the porous medium to the sampling enclosure.
  • FIG.4b is a schematic representation of the gas analyzer according to Figure 1, which illustrates a step of pumping the gas contained in the sampling enclosure towards the measuring chamber;
  • FIG.4c is a schematic view of the gas analyzer according to Figure 1, which illustrates a depletion step if one wishes to adopt the configuration of an active pump system.
  • FIG.5 is a schematic representation of an alternative embodiment of the gas analyzer characterized by a different pipe arrangement.
  • a gas analyzer according to the invention, referenced 10, conventionally comprises a measuring chamber 12 and a gas sampling system 14.
  • the analyzer 10 will be described for an example of an application for measuring the emanation of natural hydrogen in a porous medium.
  • the analyzer 10 according to the invention is however not limited to this particular application and makes it possible to collect and analyze any type of gas emanating from a porous medium.
  • the measuring chamber 12 is delimited by an envelope marked 16. It contains within it a set of sensors, including in particular a hydrogen concentration, temperature and humidity sensor, aimed at to characterize the gas bathing therein.
  • the sensors are collectively denoted 13.
  • this measuring chamber 12 has a parallelepiped configuration so that it can be equipped with other sensors as needed on these different faces.
  • the gas sampling system 14 comprises a sampling enclosure 18 which aims to collect a gas emanating from or trapped in a porous solid medium M.
  • this medium M is defined by a surface S which separates it from the ambient external medium E.
  • This enclosure delimited by an envelope 20, communicates with the measuring chamber 12 by means of a connecting conduit 22 of the sampling system 14.
  • this connecting conduit 22 is used to ensure a path for the gas collected in the sampling enclosure 18 towards the measuring chamber 12 for analysis.
  • this connecting conduit 22 connects orifices 12a and 18a formed respectively in the envelope of the measuring chamber 12 and in the envelope of the sampling enclosure 18.
  • the sampling enclosure 18 is in particular designed to be inserted into the porous solid medium M.
  • the casing 20 has a tubular shape with a longitudinal central axis of revolution AX. This particular morphology makes it possible to promote the penetration of the sampling enclosure 18, which may be referred to as a “sampling rod”, into the solid medium M.
  • the gas analyzer 10 it is preferred to orient the gas analyzer 10 so that the central axis AX is substantially coincident with the vertical direction Z, but the invention is not strictly limited to this particular orientation. It can be arranged in a different orientation, for example at an angle relative to the vertical direction Z.
  • the insertion of the sampling enclosure 18 into the porous solid medium M consists of:
  • its casing 20 is shaped in a gas-permeable manner along all or part of its section, denoted T, intended to be embedded in the porous solid medium M. With this arrangement, diffusion of the hydrogen contained in the porous medium M in the sampling enclosure 18 is permitted.
  • the envelope comprises for this purpose holes 26 formed through the envelope 20.
  • the diffusion of hydrogen from the porous solid medium M towards the sampling enclosure 18 is illustrated by arrows.
  • holes 26 are advantageously distributed at regular intervals along the longitudinal axis AX and radially around this axis along AY, so as to uniformly scan the field around the section T. It should be noted that an arrangement may be retained in which the holes 26 are distributed differently.
  • the wall 20 may in particular be devoid of holes 26 over a determined length in the vicinity of the insertion end 24.
  • the gas sampling system 14 comprises a pump 30 intended to suck through the outlet orifice 18a the gas contained in the sampling enclosure 18 to convey it to the measuring chamber 12.
  • this pump 30 is interposed in the conduit 22, at the interface between the sampling enclosure 18 and the measuring chamber 12. It should be noted that a different location for the pump 30 may be chosen, for example downstream of the measuring chamber 12.
  • the idea behind the invention is based on the desire to reliably determine the gas flow emanating from the porous solid medium M. On this basis, it is aimed to be able to operate the pump without depletion.
  • the gas sampling system 14 is shaped to allow pressure balance during operation of the pump 30. In the example of the figures, this particularity is permitted by means of communication of the measuring chamber 12 and the sampling enclosure 18 with the external atmospheric environment E during operation of the pump 30.
  • the gas sampling system 14 comprises:
  • outlet conduit 32 and the pipe 34 are arranged so as to guarantee communication with the external atmospheric environment E when the sampling enclosure 18 is inserted into the porous solid medium M.
  • the pipe 34 extends from the first end 34a while being advantageously arranged in the sampling enclosure 18. More specifically, a section of the pipe, which comprises the first end 34a, extends coaxially along the sampling enclosure 18. This pipe 34 has a smaller cross-sectional diameter than the sampling enclosure 18, so as to extend within this enclosure.
  • the length of the sampling enclosure 18 and of the pipe 34 can vary from 0.8 to 3 m;
  • the internal diameter of pipe 34 is fixed between 4 and 7 mm and the internal diameter of the sampling enclosure 18 is fixed between 9 and 12 mm;
  • the holes 26 can be sized between 0.5 and 2.5 mm in diameter, being distributed over a length between 40 mm and 150 mm. In particular, they can be spaced 4 to 15 mm apart.
  • the second end 34b of the pipe 34 and the outlet duct 32 thus respectively constitute the inlet and the outlet of a gas circuit under the action of the pump 30.
  • this outside air introduced via pipe 34 into the sampling enclosure 18, pushes the gas, initially contained in this enclosure, towards the measuring chamber 12.
  • the first end 34a of the conduit 34 must be structurally arranged closer to the insertion end 24 than is the outlet port 18a.
  • ambient air can fill the sampling chamber 18 under the action of the pump 30 by gradually rising from the first end 34a of the pipe. This has the effect of simultaneously expelling the gas initially contained, namely the diffused hydrogen, towards the measuring chamber 12.
  • the gas sampling system 14 further comprises a control member 38 for authorizing or blocking the passage of ambient air along the pipe 34.
  • This control member 38 may be in the form of a solenoid valve controlled by an instruction, but the invention is not limited to this particularity.
  • this control member 38 may be in the form of a quarter-turn valve.
  • the sampling enclosure 18 is pushed into the solid porous medium M by its insertion end 24, it is first necessary to passively allow the hydrogen to diffuse into this sampling enclosure.
  • the pump 30 is stopped and the control member 38 is actuated so as to block any passage of atmospheric air flow through the pipe 34.
  • the blocking of the pipe 34 by the control member 38 aims to prevent an unexpected path along the pipe 34 of the diffused hydrogen, until it is released into the atmosphere. Such a hydrogen leak would correspond to a loss, and consequently would lead to a falseness of the measured concentration.
  • the method requires the gas now contained in the sampling enclosure 18 to be conveyed to the measuring chamber 12.
  • the control member 38 is actuated so as to allow air to pass along the pipe 34 and, at the same time, the pump 30 is started.
  • the pump 30 creates an internal gas circulation between the second pipe end 34b and the outlet duct 32.
  • a suction effect is created at the outlet orifice 18a, leading to the penetration of the gas from the sampling enclosure 18 to the measuring chamber 12, simultaneously with the introduction of ambient air into the sampling enclosure 18 via the pipe 34. This results in a movement of the gas resulting from the diffusion towards the measuring chamber.
  • the actuation of the pump is controlled so as to stop pumping before the gas is evacuated through the outlet pipe 32.
  • the pump operating without depletion, its operating speed does not vary during pumping, in other words its effective flow rate is constant. It is therefore possible to limit its actuation in time to just enough to pass a volume of gas to occupy the measuring chamber 12 whose volume capacity is predefined.
  • the next step is to collect the sensor acquisition results, and in particular to record the measured hydrogen concentration.
  • the measuring chamber 12 acts as a storage airlock while the sensors measure the hydrogen concentration, temperature and relative humidity of the gas. Since the volume of gas that has traveled to the measuring chamber is a known datum, in the absence of a pump depletion state, the specific volume of hydrogen and its hourly flow can be directly calculated from the measured concentration value.
  • the gas cannot remain in the measuring chamber 12, it being expelled into the external environment E through the outlet pipe 32.
  • This gas can in particular be collected directly at the outlet pipe 32 by means of a receptacle, such as a bag, with a view to carrying out subsequent measurements, for example by chromatography to identify the elements of the gas collected or by spectrometry to measure the isotopy.
  • the method according to the invention may further comprise a preliminary step upstream of the above-mentioned diffusion step itself.
  • a preliminary step upstream of the above-mentioned diffusion step itself it may be desirable to accelerate the filling of the sampling enclosure 18 of the cane before the next measurement.
  • This optional step requires an obstruction of the pipe 34 by the control member 38 and a start-up of the pump 30. As understood, the pump will then operate in depletion during this step, in the configuration of an active pump system. Note however that this step is conditioned to be sufficiently short, preventing the flow rate of the pump 30 from dropping to zero.
  • this step corresponds to a step of initiating the diffusion of gas, aiming to force the emanation of hydrogen from the solid porous medium M.
  • the invention is thus based on both the diffusion of gas and the use of a pump without however being subjected to a state of depletion whose drawbacks have been identified.
  • the invention thus makes it possible to obtain a value of hourly volume flow rate with certainty, in other words of hydrogen flow having diffused, and thus help to evaluate the opportunity of deposit for this given application.
  • FIG. 5 differs from that described with reference to FIGS. 1 to 3 by the arrangement of the pipe 34. It is connected to the sampling enclosure 18 by its first end 34a, opposite an opening formed for this purpose in the casing 20.
  • the structural condition is still satisfied that the first end 34a of the pipe 34 is arranged closer to the insertion end 24 than is the outlet orifice 18a.
  • gas sampling system 14 has been explained as avoiding a depleting effect of the pump by means of communication with the external atmospheric environment, at the level of the inlet and outlet of the pumping circuit constituted respectively by the second end 34b of the pipe and the outlet conduit 32. It should be noted that the invention is not limited to this particular arrangement.
  • the external environment with which the outlet duct 32 and the pipe 34 communicate is not limited to the atmospheric external environment E, as has been described on the basis of the attached figures.
  • the outlet duct 32 and the pipe 34 may be connected to a common ambient environment or each to a separate environment provided that a similar pressure at the inlet and outlet of the pumping circuit is permitted, either passively or by piloting.
  • the gas sampling system 14 has been described as an integral part of the analyzer 10.
  • the analyzer is characterized by the addition of the measuring chamber 12 to the gas sampling system 14. It should be noted that the gas sampling system 14 can be considered in isolation, by substituting the measuring chamber 12 with a removable receptacle, the contents of which can be analyzed at the desired time.
  • the outlet duct 32 can be directly formed by the duct 22 and the pump 30 can be interposed in this duct 22.
  • the outlet duct 32 can thus be defined globally as comprising a part which is connected to the external environment and another part of which is connected directly or indirectly to the outlet orifice 18a.
  • sampling enclosure 18 has been advantageously described as having a tubular outline, in other words cylindrical.
  • the invention is not limited to this particular arrangement, and allows any type of shape.
  • a sampling enclosure with variable geometry for example telescopic, may be chosen, allowing its dimensions to be varied to adapt to a particular diffusion volume, or to satisfy sampling at a desired depth.
  • the invention has been described in an application for measuring the emanation of natural hydrogen in a porous medium, making it possible to identify sites that are particularly favorable for exploitation. It should be noted that the device is not limited to this particular application. In practice, it can be used to evaluate the diffusion of any type of gas in a porous medium.
  • the positioning relationship of the first end 34a of the pipe 34 and the outlet orifice 18a relative to the insertion end 24 as defined for collecting the hydrogen remains applicable also for any gas less dense than ambient air.
  • these tanks are not limited to containing air. They can contain another gaseous fluid, which can in particular be chosen according to its density.
  • the content of several compounds can in particular be analyzed at the same time, using suitable measuring sensors.
  • the latter in the case of using a membrane instead of the holes 26 formed in the envelope 20 of the sampling enclosure, the latter can judiciously be selectively permeable to one or more types of gas (dense, corrosive, toxic, explosive).
  • gas corrosive gases

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Abstract

La présente invention a pour objet un système (14) de prélèvement de gaz dans un milieu poreux (M), comprenant : - une enceinte de prélèvement (18) destinée à être enfoncée par une extrémité d'insertion (24) dans le milieu poreux (M), délimitée par une enveloppe (20) perméable au gaz et munie d'un orifice de sortie (18a); - un conduit de sortie (32) relié à l'orifice de sortie (18a) et à un milieu extérieur (E); - une canalisation (34) s'étendant depuis une première extrémité (34a) reliée à l'enceinte de prélèvement (18) jusqu'à une deuxième extrémité (34b) reliée à un milieu extérieur à travers un organe de commande (38) permettant d'autoriser ou bloquer le passage d'un flux gazeux; - une pompe (30) d'aspiration à travers l'orifice de sortie (18a) d'un gaz contenu dans l'enceinte de prélèvement (18) vers le conduit de sortie (32).

Description

DESCRIPTION
SYSTEME DE PRÉLÈVEMENT DE GAZ DANS UN MILIEU POREUX SOLIDE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine général de la caractérisation des gaz du sol. Elle concerne plus particulièrement un système de prélèvement de gaz dans un milieu poreux solide pour son analyse. Ce système de prélèvement vise à recueillir, notamment à des fins d’analyse, tout type de gaz emprisonné dans un milieu solide poreux, comme l’hydrogène ou l’hélium.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
Un intérêt croissant est porté à l’hydrogène dans un contexte de transition énergétique.
Par exemple, dans le secteur du transport, l’hydrogène apparait être un candidat prometteur pour se substituer au pétrole et ses dérivés. En effet, son utilisation soit en qualité de carburant dans un moteur à explosion en étant combiné à l'oxygène, soit comme vecteur d'énergie alimentant une pile à combustible, produit essentiellement de l'eau et de la chaleur.
Aujourd’hui, la production mondiale d’hydrogène se fait majoritairement à partir d’hydrocarbures, en particulier par vaporeformage du gaz naturel. Cette technique, bien qu’efficace, émet davantage de dioxyde de carbone par unité de chaleur que la combustion du combustible fossile. Il s’agit donc de trouver des alternatives de production d’hydrogène écologiquement viables pour justifier sa substitution aux carburants fossiles.
De manière fortuite, l’homme a observé des émanations d’hydrogène à la surface de la croûte terrestre. Il est à ce stade envisagé de recueillir cette production spontanée et passive. Cette production ayant été mise en évidence, il faut désormais déterminer les endroits dits de gisements, à savoir les plus riches pour le captage. A cette fin, il s’agit de quantifier le flux d’hydrogène émanant du sol moyennant des prélèvements in situ. Il existe différents types d’analyseurs de gaz. Ces analyseurs présentent un système de prélèvement et usuellement une chambre de mesure instrumentée de capteurs pour mesurer la concentration du gaz recueilli.
Pour recueillir le gaz dans la chambre de mesure, il existe trois principaux systèmes de prélèvement :
- des systèmes passifs de captation de gaz par diffusion, qui se présentent sous la forme de cloches disposées en affleurement de la surface ou de sondes enfoncées dans le sol, qui piègent les gaz diffusant depuis le sol ;
- des systèmes à pompe qui comportent communément une canne de prélèvement, prévue pour être insérée dans le sol, en communication avec la chambre de mesure, et une pompe interne qui draine les gaz emprisonnés dans le sol par effet de succion ; et
- des systèmes d’échantillonnage configurés pour récupérer le gaz à l’aide d’une seringue, à travers une sonde enfoncée dans le sol.
Néanmoins, ces systèmes souffrent d’une limitation dans la détermination précise du débit volumique, à savoir du flux d’hydrogène généré par le sol.
En cas d’emploi d’un système passif de diffusion, un équilibre de concentration des gaz s’établit entre le milieux poreux et l’enceinte interne du système, ce qui rend complexe la détermination du flux d’hydrogène.
Dans le cas d’un système d’échantillonnage, il est seulement permis une mesure ponctuelle. Il n’est ainsi pas permis d’établir un suivi régulier dans le temps, ce qui est particulièrement pénalisant au regard des fluctuations de flux d’hydrogène qui peuvent dépendre de nombreux facteurs et qui peuvent ne pas être quotidiennes ou régulières. Comme il est compris, le flux d’hydrogène déterminé par ce biais ne peut pas être considéré isolément comme représentatif de la réalité.
Les systèmes actifs à pompe drainent le gaz piégé dans le milieu poreux dans un rayon d’action environnant la canne de prélèvement. Ce rayon d’action dépend d’un certain nombre de paramètres comme la perméabilité, le coefficient de diffusion, et des variations de pression et de débit dans le temps. Quand la pompe est en fonctionnement, le milieu poreux se vide progressivement en gaz par effet de succion. Cette particularité conduit à une asphyxie de la pompe sous l’effet des pertes de charges, communément appelée « déplétion de pompe ». Le rayon d’action de la pompe, qui dépend des variations de pression, varie de façon imprévisible ; ce qui ne permet pas de connaître avec certitude le volume de gaz qui a été drainé par la pompe. Le volume de gaz récupéré dans la chambre de mesure ne pouvant être défini, il s’ensuit une incapacité à déterminer le flux d’hydrogène sur la base de la concentration mesurée.
L’invention a pour objectif de surmonter les inconvénients identifiés en proposant un système de prélèvement de gaz permettant de fidèlement déterminer le flux d’hydrogène émanant d’un sol poreux.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
À cet effet, l’invention a pour objet un système de prélèvement de gaz dans un milieu poreux solide notamment pour la détermination d’un débit de gaz diffusant depuis ce milieu poreux solide, le milieu poreux solide étant limité par une surface, le système comprenant :
- une enceinte de prélèvement, s’étendant suivant un axe longitudinal, qui est destinée à être enfoncée par une extrémité longitudinale d’insertion au moins partiellement dans le milieu poreux, cette enceinte de prélèvement étant délimitée par une enveloppe dont une portion est perméable au gaz pour permettre la diffusion du gaz depuis le milieu poreux solide dans cette enceinte de prélèvement, un orifice de sortie étant en outre formé dans l’enveloppe ;
- un conduit de sortie dont une partie est reliée à un milieu extérieur et dont une autre partie est reliée directement ou indirectement à l’orifice de sortie ;
- une canalisation s’étendant depuis une première extrémité reliée à l’enceinte de prélèvement jusqu’à une deuxième extrémité reliée à un milieu extérieur à travers un organe de commande permettant d’autoriser ou bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de cette canalisation ;
- une pompe d’aspiration à travers l’orifice de sortie d’un gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement vers le conduit de sortie ; dans lequel, selon l’axe longitudinal, la première extrémité de la canalisation est plus proche de l'extrémité d’insertion que ne l’est l’ouverture. L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, dans lequel le milieu extérieur auquel sont reliés le conduit de sortie et la deuxième extrémité de canalisation correspond :
- au milieu extérieur atmosphérique, ou
- à des réservoirs gazeux qui sont maintenus à iso-pression, le conduit de sortie et la deuxième extrémité étant chacun relié à un réservoir.
L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, dans lequel :
- la première extrémité de la canalisation est adjacente à l'extrémité d’insertion ; et
- l’ouverture de sortie, formée dans l’enveloppe de l’enceinte de prélèvement, est adjacente à une extrémité longitudinale de l’enceinte de prélèvement qui est opposée à l'extrémité d’insertion.
L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, dans lequel la canalisation comporte un tronçon qui comprend la première extrémité qui est centrée sur l’axe longitudinal en s’étendant au sein de l’enceinte de prélèvement.
L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, dans lequel la canalisation s’étend à l’extérieur de l’enveloppe en étant reliée à l’enceinte de prélèvement au niveau de sa première extrémité.
L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, comprenant un conduit de liaison qui relie l’ouverture de sortie au conduit de sortie, la pompe étant interposée dans ce conduit.
L’invention concerne également un système de prélèvement de gaz ainsi défini, dans lequel l’organe de commande est une électrovanne.
L’invention concerne également un analyseur de gaz pour la détermination d’un débit volumique horaire de gaz diffusant depuis un milieu poreux solide, comprenant un système de prélèvement ainsi défini, et une chambre de mesure instrumentée, équipée d’un capteur de mesure de concentration de gaz, cette chambre de mesure étant reliée à l’enceinte de prélèvement et au conduit de sortie.
L’invention concerne également un procédé pour mesurer la concentration d’un gaz diffusant depuis un milieu poreux solide au moyen d’un analyseur ainsi défini dont l’enceinte de prélèvement est enfoncée dans le milieu poreux solide par son extrémité d’insertion, le procédé comprenant les étapes successives de : a) mettre à l’arrêt la pompe et actionner l’organe de commande pour bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation, le gaz diffusant passivement depuis le milieu poreux dans l’enceinte de prélèvement ; b) actionner l’organe de commande pour autoriser le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation et mettre en marche la pompe pour pomper le gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement vers la chambre de mesure ; c) mesurer la concentration du gaz recueilli dans la chambre de mesure par le capteur.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la durée de pompage de l’étape b) est prédéfinie pour que la pompe s’arrête avant que le gaz ne soit évacué par le conduit de sortie sous l’action de la pompe.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, comprenant en outre une étape préliminaire a’) d’amorce de la diffusion de gaz, dans laquelle l’organe de commande est actionné pour bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation et la pompe est mise en marche.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig.1 ] est une représentation schématique d’un analyseur de gaz selon l’invention, comprenant une chambre de mesure équipée de capteurs et un système de prélèvement à pompe pour recueillir et acheminer du gaz vers la chambre de mesure ; ce système comprenant une enceinte de prélèvement, une canalisation ouverte sur le milieu extérieur et qui débouche dans l’enceinte de prélèvement, un organe de commande permettant d’autoriser ou bloquer le passage d’un flux d’air le long de la canalisation, et un conduit de récupération de gaz depuis l’enceinte de prélèvement.
[Fig.2] est une vue partielle en section d’un mode de réalisation du système de prélèvement dans lequel l’enceinte de prélèvement présente une architecture tubulaire et la canalisation s’étend partiellement de manière coaxiale dans cette enceinte de prélèvement ;
[Fig.3] est une vue de détail de la figure 2 ;
[Fig.4a] est une représentation schématique de l’analyseur de gaz conforme à la figure 1 , qui illustre un arrangement de la pompe et de l’organe de commande pendant une étape de diffusion passive de gaz depuis le milieu poreux vers l’enceinte de prélèvement.
[Fig.4b] est une représentation schématique de l’analyseur de gaz conforme à la figure 1 , qui illustre une étape de pompage du gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement vers la chambre de mesure ;
[Fig.4c] est une vue schématique de l’analyseur de gaz conforme à la figure 1 , qui illustre une étape de déplétion si l’on souhaite se mettre dans la configuration d’un système actif de pompe.
[Fig.5] est une représentation schématique d’une variante de réalisation de l’analyseur de gaz caractérisé par un arrangement de canalisation différent.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Pour la description de l'invention et la compréhension des revendications, on adoptera à titre non limitatif une direction dite verticale Z liée au référentiel terrestre galiléen, et les axes longitudinal et radial AX, AY, liés à l’analyseur de gaz.
En référence aux figures 1 à 3, un analyseur de gaz selon l’invention, repéré par 10, comprend de manière conventionnelle une chambre de mesure 12 et un système de prélèvement de gaz 14.
Dans la suite, l’analyseur 10 sera décrit pour un exemple d’application de mesure d’émanation d’hydrogène naturel dans un milieu poreux. L’analyseur 10 selon l’invention n’est cependant pas limité à cette application particulière et permet de recueillir ainsi qu’analyser tout type de gaz émanant d’un milieu poreux.
La chambre de mesure 12 est délimitée par une enveloppe repérée par 16. Elle renferme en son sein un lot de capteurs, dont notamment un capteur de concentration en hydrogène, de température et d’humidité, visant à caractériser le gaz baignant dans celle-ci. Les capteurs sont notés collectivement 13. Avantageusement, cette chambre de mesure 12 présente une configuration parallélépipédique de manière à pouvoir être équipée d’autres capteurs au besoin sur ces différentes faces.
Le système de prélèvement de gaz 14 comprend une enceinte de prélèvement 18 qui vise à recueillir un gaz émanant depuis ou piégé dans un milieu solide poreux M. Dans l’exemple de la figure 2, ce milieu M est défini par une surface S qui le sépare du milieu extérieur ambiant E.
Cette enceinte, délimitée par une enveloppe 20, communique avec la chambre de mesure 12 au moyen d’un conduit de liaison 22 du système de prélèvement 14. Comme il est compris, ce conduit de liaison 22 est utilisé pour assurer un cheminement du gaz recueilli dans l’enceinte de prélèvement 18 vers la chambre de mesure 12 pour analyse.
Dans l’exemple des figures, ce conduit de liaison 22 raccorde des orifices 12a et 18a formés respectivement dans l’enveloppe de la chambre de mesure 12 et dans l’enveloppe de l’enceinte de prélèvement 18.
L’enceinte de prélèvement 18 est notamment prévue pour être enfoncée dans le milieu solide poreux M. Avantageusement l’enveloppe 20 présente une forme tubulaire d’axe central longitudinal de révolution AX. Cette morphologie particulière permet de favoriser la pénétration de l’enceinte de prélèvement 18, pouvant être désignée par « canne de prélèvement », dans le milieu solide M.
Il est privilégié d’orienter l’analyseur de gaz 10 de sorte que l’axe central AX soit sensiblement confondu avec la direction verticale Z, mais l’invention n’est pas limitée rigoureusement à cette orientation particulière. Elle peut être disposée suivant une orientation différente, par exemple de biais par rapport à la direction verticale Z.
En pratique, l’enfoncement de l’enceinte de prélèvement 18 dans le milieu solide poreux M consiste à :
- disposer une extrémité longitudinale de l’enceinte de prélèvement 18, dite extrémité d’insertion notée 24, en regard de la surface S du milieu solide poreux M ; et
- exercer une pression dirigée vers l’intérieur du milieu solide M jusqu’à ce que l’enceinte de prélèvement 18 soit enfoncée dans ce milieu poreux M le long d’un tronçon T de longueur prédéfinie, mesurée à partir de l’extrémité d’insertion 24.
Afin de recueillir le gaz issu du milieu poreux M dans l’enceinte de prélèvement 18, son enveloppe 20 est conformée de manière perméable au gaz le long de tout ou une partie de son tronçon, noté T, prévu pour être enfoncé dans le milieu solide poreux M. Avec cet arrangement, une diffusion de l’hydrogène contenu dans le milieu poreux M dans l’enceinte de prélèvement 18 est permise.
Dans l’exemple des figures 2 et 3, l’enveloppe comporte à cet effet des trous 26 formés traversants dans l’enveloppe 20. La diffusion d’hydrogène depuis le milieu solide poreux M vers l’enceinte de prélèvement 18 est illustrée par des flèches.
Ces trous 26 sont avantageusement répartis à pas réguliers le long de l’axe longitudinal AX et radialement autour de cet axe suivant AY, de manière à balayer uniformément le champ autour du tronçon T. A noter qu’il peut être retenu un arrangement dans lequel les trous 26 sont distribués différemment. La paroi 20 peut notamment être dépourvue de trous 26 sur une longueur déterminée au voisinage de l’extrémité d’insertion 24.
Il est à noter que l’invention n’est pas limitée à la formation de tels trous 26 pour autoriser un passage de gaz vers l’enceinte de prélèvement 18. Ces trous 26 peuvent notamment être substitués par une membrane perméable au gaz sans sortir du cadre de l’invention.
Complémentairement, le système de prélèvement de gaz 14 comprend une pompe 30 visant à aspirer à travers l’orifice de sortie 18a le gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement 18 pour l’acheminer vers la chambre de mesure 12. Dans l’exemple des figures, cette pompe 30 est interposée dans le conduit 22, à l’interface entre l’enceinte de prélèvement 18 vers la chambre de mesure 12. Il est à noter qu’un emplacement différent de pompe 30 peut être retenu, par exemple en aval de la chambre de mesure 12.
L’idée à la base de l’invention repose sur la volonté de déterminer le flux de gaz émanant du milieu solide poreux M de manière fiable. Sur cette base, il est visé de pouvoir faire fonctionner la pompe sans déplétion. A cet égard, le système de prélèvement de gaz 14 est conformé pour permettre un équilibre des pressions durant le fonctionnement de la pompe 30. Dans l’exemple des figures, cette particularité est permise moyennant une communication de la chambre de mesure 12 et de l’enceinte de prélèvement 18 avec le milieu extérieur atmosphérique E durant le fonctionnement de la pompe 30.
Dans l’exemple des figures 1 à 3, le système de prélèvement de gaz 14 comporte :
- un conduit de sortie 32, ou évent, formé dans le prolongement de la chambre de mesure 12, qui débouche sur le milieu extérieur atmosphérique E ; et
- une canalisation 34 qui s’étend depuis une première extrémité 34a reliée à l’enceinte de prélèvement 18 jusqu’à une deuxième extrémité 34b qui débouche dans le milieu extérieur atmosphérique E.
Comme il est compris, le conduit de sortie 32 et la canalisation 34 sont agencés de manière à garantir une communication avec le milieu extérieur atmosphérique E lorsque l’enceinte de prélèvement 18 est enfoncée dans le milieu solide poreux M.
Dans l’exemple des figures 1 à 3, la canalisation 34 s’étend depuis la première extrémité 34a en étant avantageusement disposée dans l’enceinte de prélèvement 18. Plus spécifiquement, un tronçon de la canalisation, qui comprend la première extrémité 34a, s’étend de manière coaxiale le long de l’enceinte de prélèvement 18. Cette canalisation 34 présente un diamètre en section plus petit que l’enceinte de prélèvement 18, de sorte à s’étendre au sein de cette enceinte.
D’un point de vue dimensionnel, selon un mode préféré de l’invention :
- la longueur de l’enceinte de prélèvement 18 et de la canalisation 34 peut varier de 0,8 à 3 m ;
- le diamètre interne de canalisation 34 est fixé entre 4 et 7 mm et le diamètre interne de l’enceinte de prélèvement 18 est fixé entre 9 et 12 mm ;
- les trous 26 peuvent être dimensionnés entre 0,5 et 2,5 mm de diamètre, en étant répartis sur une longueur entre 40 mm et 150 mm. Ils peuvent notamment être écartés de 4 à 15 mm. La deuxième extrémité 34b de canalisation 34 et le conduit de sortie 32 constituent ainsi respectivement l’entrée et la sortie d’un circuit gazeux sous l’action de la pompe 30. Avec cette solution, il est visé de vidanger l’enceinte de prélèvement 18, dans laquelle l’hydrogène a diffusé, vers la chambre de mesure 12 par introduction d’air ambiant extérieur dans l’enceinte de prélèvement 18 via la canalisation 34, ce qui permet de travailler toujours à pression atmosphérique.
En pratique, cet air extérieur, introduit par la canalisation 34 au sein de l’enceinte de prélèvement 18, pousse le gaz, initialement contenu dans cette enceinte, vers la chambre de mesure 12.
Pour garantir un déplacement contrôlé du gaz contenu initialement dans l’enceinte de prélèvement 18 vers la chambre de mesure 12, il s’agit de respecter un agencement particulier de la première extrémité 34a de la canalisation et de l’orifice 18a dit de sortie, à laquelle est raccordé le conduit 22 qui relie l’enceinte de prélèvement 18 à la chambre de mesure 12.
Dans le cadre de cette application de recueillement de l’hydrogène, son caractère volatile dans l’air doit être pris en compte dans l’aménagement du système de prélèvement de gaz 14. Par nature, l’hydrogène est moins dense que l’air ambiant. Sur cette base, pour assurer fonctionnellement une vidange du gaz initialement contenu dans l’enceinte de prélèvement 18, il s’agit d’introduire l’air ambiant verticalement en deçà de l’orifice de sortie 18a. En effet, dans le cas contraire, l’air ambiant cheminant le long de la canalisation 34 serait susceptible de s’engouffrer directement dans le conduit 22 une fois arrivé dans l’enceinte de prélèvement 18 sous l’action de la pompe 30.
Pour aboutir au déplacement contrôlé du gaz, la première extrémité 34a de canalisation 34 doit être agencée structurellement plus proche de l'extrémité d’insertion 24 que ne l’est l’orifice de sortie 18a.
En pratique, pour conduire à une vidange totale et maîtrisée de l’enceinte de prélèvement 18, il s’agit :
- d’introduire l’air ambiant dans l’enceinte de prélèvement au plus proche voisinage de l’extrémité d’insertion 24, et - de former l’orifice de sortie 18a au niveau de l’extrémité longitudinale opposée de l’enceinte de prélèvement.
Autrement dit, il s’agit d’agencer la première extrémité 34a de la canalisation 34 de manière adjacente à l'extrémité d’insertion 24, et complémentairement d’agencer l’ouverture de sortie 18a de manière adjacente à l’extrémité longitudinale de l’enceinte de prélèvement 18 qui est opposée à l'extrémité d’insertion.
Avec cet arrangement, l’air ambiant peut remplir l’enceinte de prélèvement 18 sous l’action de la pompe 30 en remontant progressivement depuis la première extrémité 34a de la conduite. Ceci a pour effet de chasser simultanément le gaz initialement contenu, à savoir l’hydrogène diffusé, vers la chambre de mesure 12.
Enfin, le système de prélèvement de gaz 14 comprend en outre un organe de commande 38 permettant d’autoriser ou bloquer le passage d’air ambiant le long de la canalisation 34. Cet organe de commande 38 peut se présenter sous la forme d’une électrovanne pilotée par une consigne, mais l’invention n’est pas limitée à cette particularité. A titre d’exemple, cet organe de commande 38 peut se présenter sous la forme d’une vanne quart de tour.
En référence aux figures 4a à 4c annexées va être décrit le procédé pour mesurer la concentration d’hydrogène, diffusant depuis le milieu poreux solide M au moyen de l’analyseur 10 selon l’invention. A des fins d’illustration, l'hydrogène et l’air sont représentés dans ces figures par des symboles de forme en étoile et en rond respectivement.
Dès lors que l’enceinte de prélèvement 18 est enfoncée dans le milieu poreux solide M par son extrémité d’insertion 24, il s’agit en premier lieu de laisser passivement l’hydrogène diffuser dans cette enceinte de prélèvement. A cet effet, la pompe 30 est mise à l’arrêt et l’organe de commande 38 est actionné de sorte à bloquer tout passage de flux d’air atmosphérique au travers de la canalisation 34. Comme il est compris, l’obturation de la canalisation 34 par l’organe de commande 38 vise à empêcher un cheminement inopiné le long de la canalisation 34 de l’hydrogène diffusé, jusqu’à son rejet dans l’atmosphère. Une telle fuite d’hydrogène correspondrait à une perte, et par voie de conséquence conduirait à un faussement de la concentration mesurée.
Après un temps d’attente prédéfini, le procédé requiert d’acheminer le gaz désormais contenu dans l’enceinte de prélèvement 18 jusqu’à la chambre de mesure 12. Pour ce faire, l’organe de commande 38 est actionné de manière à autoriser un passage d’air le long de la canalisation 34 et, conjointement, la pompe 30 est mise en marche. La pompe 30 crée une circulation de gaz interne entre la deuxième extrémité de canalisation 34b et le conduit de sortie 32. Un effet de succion est créé au niveau de l’orifice de sortie 18a, conduisant à la pénétration du gaz depuis l’enceinte de prélèvement 18 vers la chambre de mesure 12, simultanément à l’introduction d’air ambiant dans l’enceinte de prélèvement 18 via la canalisation 34. Il s’ensuit un déplacement du gaz issu de la diffusion vers la chambre de mesure.
En pratique, l’actionnement de la pompe est asservi de manière à arrêter le pompage avant que le gaz ne soit évacué par le conduit de sortie 32. La pompe fonctionnant sans déplétion, son régime de fonctionnement ne varie pas lors du pompage, autrement dit son débit effectif est constant. Il est donc possible de limiter son actionnement dans le temps au juste nécessaire pour faire transiter un volume de gaz permettant d’occuper la chambre de mesure 12 dont la capacité en volume est prédéfinie.
L’étape suivante consiste à recueillir les résultats d’acquisition des capteurs, et en particulier relever la concentration en hydrogène mesurée. Sur cette base, la chambre de mesure 12 revêt un rôle de sas de stockage le temps que les capteurs mesurent la concentration en hydrogène, la température et l’humidité relative du gaz. Le volume de gaz ayant cheminé vers la chambre de mesure étant une donnée connue, en absence d’état de déplétion de la pompe, le volume spécifique d’hydrogène et son flux horaire peuvent être directement calculés à partir de la valeur de concentration mesurée.
En variante, il peut être souhaité d’assurer un fonctionnement de la pompe suivant une durée aléatoire. En pareil cas, le gaz ne peut pas séjourner dans la chambre de mesure 12, celui-ci étant chassé dans le milieux extérieur E au travers du conduit de sortie 32. Ce gaz peut notamment être collecté directement au conduit de sortie 32 au moyen d’un réceptacle, comme un sac, en vue d’effectuer des mesures ultérieures, par exemple par chromatographie pour identifier les éléments du gaz recueilli ou encore par spectrométrie pour mesurer l’isotopie.
Le procédé selon l’invention peut en outre comprendre une étape préliminaire en amont de l’étape à proprement parlé de diffusion susmentionnée. En pratique, lorsque le coefficient de diffusion dans le milieu poreux solide M est faible, il peut être souhaitable d’accélérer le remplissage de l’enceinte de prélèvement 18 de la canne avant la mesure suivante.
Cette étape optionnelle requiert une obstruction de la canalisation 34 par l’organe de commande 38 et une mise en marche de la pompe 30. Comme il est compris, la pompe va alors fonctionner en déplétion durant cette étape, dans la configuration d’un système actif de pompe. A noter toutefois que cette étape est conditionnée pour être suffisamment courte, empêchant le débit de la pompe 30 de chuter à zéro.
Concrètement, cette étape correspond à une étape d’amorce de la diffusion de gaz, visant à forcer l’émanation d’hydrogène depuis le milieu poreux solide M.
L’invention repose ainsi à la fois sur la diffusion de gaz, et l’emploi d’une pompe sans toutefois être soumis à un état de déplétion dont les inconvénients ont été identifiés. L’invention permet ainsi l’obtention d’une valeur de débit volumique horaire avec certitude, autrement dit de flux d’hydrogène ayant diffusé, et ainsi aider à évaluer l’opportunité de gisement pour cette application donnée.
Nonobstant la fiabilité de la caractérisation obtenue par l’analyseur 10 selon l’invention, s’affranchir d’un effet de déplétion conformément à l’invention autorise des prélèvements localement rapprochés. En effet, la déplétion rend le milieu poreux solide M déséquilibré par rapport aux gaz piégés et perturbe également l’équilibre avec le milieu voisin. Ceci peut être un inconvénient lorsqu’on souhaite poser, sur une surface donnée, un réseau d’analyseurs rapprochés pour déterminer le flux total au niveau d’une surface d’intérêt.
Dans l’exemple des figures 1 à 3, la canalisation 34 a été décrite comme s’étendant dans l’enceinte de prélèvement 18. Cet arrangement permet judicieusement de ne pas entraver la pénétration de l’enceinte de prélèvement 18 dans le milieu solide poreux.
Néanmoins, il est permis selon l’invention de retenir un arrangement dans lequel la canalisation s’étend à l’extérieur de l’enceinte de prélèvement. Ce mode de réalisation, illustré à la figure 5, se distingue de celui décrit en référence aux figures 1 à 3 par l’agencement de la conduite 34. Elle est raccordée à l’enceinte de prélèvement 18 par sa première extrémité 34a, en regard d’une ouverture formée à cet effet dans l’enveloppe 20.
Selon ce mode de réalisation, il est toujours satisfait à la condition structurelle que la première extrémité 34a de canalisation 34 est agencée plus proche de l'extrémité d’insertion 24 que ne l’est l’orifice de sortie 18a.
Aussi, le système de prélèvement de gaz 14 a été expliqué comme évitant un effet déplétif de la pompe moyennant une communication avec le milieu extérieur atmosphérique, au niveau des entrée et sortie du circuit de pompage constituées respectivement par la deuxième extrémité 34b de canalisation et le conduit de sortie 32. Il est à noter que l’invention n’est pas limitée à cet arrangement particulier.
En pratique, un effet de déplétion est observé quand il existe un différentiel de pression. Sur cette base, il peut être retenu un arrangement dans lequel la deuxième extrémité 34b de canalisation et le conduit de sortie 32 sont reliés à des réservoirs à pression pilotée. Dès lors que ces réservoirs sont conditionnés pour obtenir des pressions identiques, un fonctionnement de la pompe à iso-pression entre l’entrée et la sortie garantit les mêmes effets qu’une communication au milieu extérieur atmosphérique.
Comme il est compris, le milieu extérieur avec lequel communiquent le conduit de sortie 32 et la canalisation 34 n’est pas limité au milieu extérieur atmosphérique E, comme cela a été décrit sur la base des figures annexées. En pratique, le conduit de sortie 32 et la canalisation 34 peuvent être reliés à un milieu ambiant commun ou chacun à un milieu distinct dès lors qu’une pression analogue en entrée et en sortie du circuit de pompage est permise, soit de manière passive ou par pilotage.
Le système de prélèvement de gaz 14 a été décrit comme faisant partie intégrante de l’analyseur 10. L’analyseur est caractérisé par l’adjonction de la chambre de mesure 12 au système de prélèvement de gaz 14. Il est à noter que le système de prélèvement de gaz 14 peut être considéré isolément, en substituant la chambre de mesure 12 par un réceptacle amovible, dont le contenu peut être analysé en temps voulu. En absence de chambre de mesure 12, le conduit de sortie 32 peut directement être formé par le conduit 22 et la pompe 30 peut être interposée dans ce conduit 22. D’une manière générale, le conduit de sortie 32 peut ainsi être défini globalement comme comprenant une partie qui est reliée au milieu extérieur et dont une autre partie est reliée directement ou indirectement à l’orifice de sortie 18a.
L’enceinte de prélèvement 18 a été décrite avantageusement à contour tubulaire, autrement dit cylindrique. L’invention n’est pas limitée à cet arrangement particulier, et autorise tout type de forme. En particulier, il peut être retenu une enceinte de prélèvement à géométrie variable, par exemple télescopique, permettant de faire varier ses dimensions pour s’adapter à un volume de diffusion particulier, ou encore satisfaire un prélèvement à une profondeur désirée.
Enfin, l’invention a été décrite dans une application de mesure d’émanation d’hydrogène naturel dans un milieu poreux, permettant d’identifier les sites particulièrement favorables à une exploitation. Il est à noter que le dispositif n’est pas limité à cette application particulière. En pratique il peut être utilisé pour évaluer la diffusion de tout type de gaz dans un milieu poreux.
En particulier, la relation de positionnement de la première extrémité 34a de canalisation 34 et de l’orifice de sortie 18a relativement à l'extrémité d’insertion 24 telle que définie pour recueillir l’hydrogène reste applicable également pour tout gaz moins dense que l’air ambiant. A noter que dans le cas où la deuxième extrémité 34b de canalisation et le conduit de sortie 32 sont reliés à des réservoirs, ces réservoirs ne sont pas limités à contenir de l’air. Ils peuvent contenir un autre fluide gazeux, pouvant en particulier être choisi selon sa densité.
La teneur en plusieurs composés peut notamment être analysée en même temps, moyennant l’emploi des capteurs de mesure adaptés. A ce titre, dans le cas de l’emploi d’une membrane en lieu et place des trous 26 formés dans l’enveloppe 20 de l’enceinte de prélèvement, celle-ci peut judicieusement être perméable sélectivement à un ou plusieurs types de gaz (denses, corrosifs, toxiques, explosifs). En cas de gaz corrosifs, il s’agit d’adapter les matériaux constitutifs de l’analyseur 10 au type de corrosion, ou à défaut les protéger par un revêtement adapté.
Parmi l’ensemble du spectre d’applications possibles, on distingue de manière non limitative :
- la détection de fuites de gaz pour la sécurité d’infrastructures ;
- la quantification de volume de radon, d’hélium, de H2S, ou de divers polluants comme les composés organiques volatils ; ou encore
- la surveillance de stockages géologiques ou la surveillance des émissions de gaz, comme le souffre, pour la surveillance de l’activité volcanique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système (14) de prélèvement de gaz dans un milieu poreux solide (M) notamment pour la détermination d’un débit de gaz diffusant depuis ce milieu poreux solide (M), le milieu poreux solide (M) étant limité par une surface (S), le système (14) comprenant :
- une enceinte de prélèvement (18), s’étendant suivant un axe longitudinal (AX), qui est destinée à être enfoncée par une extrémité longitudinale d’insertion (24) au moins partiellement dans le milieu poreux (M), cette enceinte de prélèvement (18) étant délimitée par une enveloppe (20) dont une portion (T) est perméable au gaz pour permettre la diffusion du gaz depuis le milieu poreux solide (M) dans cette enceinte de prélèvement (18), un orifice de sortie (18a) étant en outre formé dans l’enveloppe (20);
- un conduit de sortie (32) dont une partie est reliée à un milieu extérieur et dont une autre partie est reliée directement ou indirectement à l’orifice de sortie (18a) ;
- une canalisation (34) s’étendant depuis une première extrémité (34a) reliée à l’enceinte de prélèvement (18) jusqu’à une deuxième extrémité (34b) reliée à un milieu extérieur à travers un organe de commande (38) permettant d’autoriser ou bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de cette canalisation (34) ;
- une pompe (30) d’aspiration à travers l’orifice de sortie (18a) d’un gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement (18) vers le conduit de sortie (32) ; dans lequel : selon l’axe longitudinal (AX), la première extrémité (34a) de la canalisation (34) est plus proche de l'extrémité d’insertion (24) que ne l’est l’orifice de sortie (18a).
2. Système (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel le conduit de sortie (32) et la deuxième extrémité (34b) de canalisation sont reliés au milieu extérieur atmosphérique (E) ou à des réservoirs gazeux qui sont maintenus à iso-pression.
3. Système (1 ) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
- la première extrémité (34a) de la canalisation (34) est adjacente à l'extrémité d’insertion (24) ; et
- l’orifice de sortie (18a), formé dans l’enveloppe (20) de l’enceinte de prélèvement (18), est adjacent à une extrémité longitudinale de l’enceinte de prélèvement (18) qui est opposée à l'extrémité d’insertion (24).
4. Système (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la canalisation (34) comporte un tronçon qui comprend la première extrémité (34a) qui est centré sur l’axe longitudinal (AX) en s’étendant au sein de l’enceinte de prélèvement (18).
5. Système (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la canalisation (34) s’étend à l’extérieur de l’enveloppe (20) en étant reliée à l’enceinte de prélèvement (18) au niveau de sa première extrémité (34a).
6. Système (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un conduit de liaison (22) qui relie l’orifice de sortie (18a) au conduit de sortie (32), la pompe (30) étant interposée dans ce conduit (22).
7. Système (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe de commande (38) est une électrovanne.
8. Analyseur de gaz (10) pour la détermination d’un débit volumique horaire de gaz diffusant depuis un milieu poreux solide (M), comprenant un système de prélèvement (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et une chambre de mesure (12) instrumentée, équipée d’un capteur (13) de mesure de concentration de gaz, cette chambre de mesure (12) étant reliée à l’enceinte de prélèvement (18) et au conduit de sortie (32).
9. Procédé pour mesurer la concentration d’un gaz diffusant depuis un milieu poreux solide (M) au moyen de l’analyseur (10) selon la revendication 8 dont l’enceinte de prélèvement (18) est enfoncée dans le milieu poreux solide (M) par son extrémité d’insertion (24), le procédé comprenant les étapes successives de : a) mettre à l’arrêt la pompe (30) et actionner l’organe de commande (38) pour bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation (34), le gaz diffusant passivement depuis le milieu poreux dans l’enceinte de prélèvement (18) ; b) actionner l’organe de commande (38) pour autoriser le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation (34) et mettre en marche la pompe (30) pour pomper le gaz contenu dans l’enceinte de prélèvement (18) vers la chambre de mesure (12) ; c) mesurer la concentration du gaz recueilli dans la chambre de mesure (12) par le capteur (13).
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel la durée de pompage de l’étape b) est prédéfinie pour que la pompe s’arrête avant que le gaz ne soit évacué par le conduit de sortie (32) sous l’action de la pompe (30).
11 . Procédé selon la revendication 9 ou 10, comprenant en outre une étape préliminaire a’) d’amorce de la diffusion de gaz, dans laquelle l’organe de commande (38) est actionné pour bloquer le passage d’un flux gazeux au travers de la canalisation (34) et la pompe (30) est mise en marche.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20070266800A1 (en) * 2005-05-18 2007-11-22 Risk David A Apparatus and method for measuring soil gases
WO2022241099A2 (fr) * 2021-05-12 2022-11-17 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Sondes et systèmes d'échantillonnage de gaz de sol in situ

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