Projet ANR-15-CE06-0008 – HYDRE : Comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates de gaz
Programme : Usage du sous-sol dans une perspective énergétique (DS0203)
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Anh Minh TANG (ENPC/NAVIER-GEOTECHNIQUE)
Montant : 799032.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 42 mois
Résumé : Comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates de gazLes hydrates de gaz représentent à la fois une ressource énergétique potentiellement importante et une source d’instabilité de talus continentaux et d’émission de gaz à effet de serre. L’objectif du projet est d’étudier le comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates. Les connaissances obtenues sont cruciales pour maitriser les impacts environnementaux liés aux potentielles exploitations futures des hydrates de méthane dans les sédiments marins.
Etudier le comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates de gaz afin de pouvoir réduire l’impact environnemental de leur potentielle exploitation futureLes hydrates de méthane présents dans le pergélisol et dans les sédiments marins sont considérés comme une source potentielle d’énergie fossile bien que leur exploitation demeure un défi technologique et opérationnel. Au défi lié au processus de récupération du méthane présent sous la forme solide d’hydrates, s’ajoute celui de la compréhension et de l’atténuation des conséquences de leur déstabilisation sous l’effet de variation de pression et de température. Il est en effet reconnu que la déstabilisation des hydrates de gaz constitue un aléa géologique pouvant conduire à l’instabilité des fonds marins et à l’échappement de gaz à effet de serre. L’objectif du présent projet est d’étudier le comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates de gaz afin de pouvoir réduire l’impact environnemental de leur potentielle exploitation future.Dans cette perspective, il est envisagé de lever un premier verrou scientifique en travaillant à l’amélioration de la compréhension des mécanismes de formation et de déstabilisation des hydrates grâce à des méthodes d’observation à l’échelle des pores inter-granulaires. Le deuxième verrou scientifique concerne la détermination de l’influence de la distribution des hydrates, de leur quantité relative et de leur morphologie sur le comportement mécanique des sédiments. Le troisième verrou correspond au développement de lois de comportement basées sur des observations expérimentales. L’intégration de ces lois dans un code de calcul par la méthode des éléments finis sera requise pour prédire le comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates de gaz à très grande échelle (puits d’exploitation, pente continentale, etc.). Les résultats de ces modélisations aideront à lever le quatrième verrou que constitue la détermination à partir de mesures in situ de la quantité et de la distribution d’hydrates de gaz et de leur influence sur le comportement hydromécanique des sédiments.
Le comportement mécanique des sédiments contenants des hydrates de gaz étudié à l’aide de plusieurs approches et à plusieurs échellesLe programme scientifique est organisé selon quatre tâches. L’objectif de la Tâche 1 est d’étudier la formation et la dissociation des hydrates de gaz à l’échelle des pores inter-granulaires. Ces processus vont être observés par microscopie optique. La Tâche 2 vise à étudier le comportement du matériau à l’échelle du VER par des approches expérimentales. Tout d’abord, les méthodes d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de micro-tomographie aux rayons X seront utilisées pour observer la formation et la dissociation des hydrates dans une éprouvette de sédiment de taille centimétrique. Une fois les techniques de création des hydrates de gaz dans des éprouvettes de sédiment maitrisées, le comportement mécanique des sédiments contenant différentes teneurs en hydrates sera étudié grâce à une cellule triaxiale de haute pression équipée d’un système de contrôle de température. La Tâche 3 concerne la modélisation numérique du comportement des sédiments contenant des hydrates. D’une part, une modélisation par la méthode des éléments discret sera considérée pour faire le lien entre les propriétés observées à l’échelles des pores et le comportement mécanique observé à l’échelle du VER. D’autre part, une loi de comportement detype poro-mécanique sera développée pour prédire le comportement mécanique du matériau à l’échelle du VER. Cette loi sera ensuite implémentée dans un code de calcul de type éléments finis avec couplage complet chimio-thermo-hydromécanique. Les simulations viseront à prédire le comportement d’un puit d’exploitation de gaz naturel dans des dépôtsd’hydrates ainsi qu’à étudier l’instabilité des talus continentaux.La Tâche 4 consiste à intégrer un ensemble de mesures in situ et de mesures sur échantillons prélevés par carottage en vue d’étudier à l’échelle du site l’influence de la quantité d’hydrates de gaz, de leur distribution et de leur morphologie sur le comportement mécanique des sédiments.
Résumé de la soumission : Les hydrates de gaz représentent à la fois une ressource énergétique potentiellement  importante et une source d’instabilité de talus continentaux et d’émission de gaz à effet de serre. L’objectif du projet est d’étudier le comportement mécanique des sédiments contenant des hydrates. Les connaissances obtenues sont cruciales pour maitriser les impacts environnementaux liés aux potentielles exploitations futures des hydrates de méthane dans les sédiments marins. Le projet se caractérise par une approche pluri-échelle et pluri-méthodologique et s’articule autour de quatre tâches.Le comportement des hydrates de gaz sera d’abord étudié à l’échelle des pores inter-granulaires (quelques micromètres) – Tâche 1. Le quartz étant le composant principal des sédiments, les mécanismes de formation et dissociation de l’hydrate sur différentes surfaces quartzitique seront d’abord caractérisés, principalement par la microscopie optique. Les expériences seront d’abord réalisées avec du cyclopentane, qui permet de former des hydrates à pression atmosphérique, avant de travailler sur des hydrates de gaz naturels dans des conditions de plus haute pression.Dans le cadre de la tâche 2, le comportement des matériaux à l’échelle (millimétrique typiquement) d’un volume élémentaire représentatif (VER) sera ensuite étudié au laboratoire. Les méthodes de formation des hydrates de gaz dans des sédiments granulaires (type sable) seront d’abord considérées. Les études seront ensuite étendues sur des sédiments fins. Pour observer la formation et la dissociation des hydrates de gaz dans ces milieux poreux, des méthodes d’analyse non-destructives (Imagerie par Résonance Magnétique et Micro-tomographie aux rayons X) seront utilisées. Le comportement mécanique des sédiments sera étudié par des essais de compression triaxiale à haute pression et faible température.Le comportement à l’échelle du VER sera également étudié par des méthodes numériques – Tâche 3. Le lien entre le comportement micromécanique à l’échelle des pores inter-granulaires et le comportement à l’échelle du VER sera tout d’abord appréhendé par des simulations basées sur la méthode des éléments discrets. D’autre part, le passage de l’échelle du VER et celui celle d’un site sera abordé par la méthode des éléments finis. Des lois de comportement de type poro-mécanique tenant compte des effets de la présence d’hydrates seront élaborées et implantées dans un code aux éléments finis pour prédire le comportement des sédiments lors de l’exploitation industrielle du gaz de méthane. La stabilité des pentes continentales en présence d’hydrates de gaz sera également étudiée dans un contexte de réchauffement climatique. Finalement, des mesures mécaniques et acoustiques réalisées sur le terrain et sur des échantillons prélevés par carottage seront analysées et intégrées pour mettre en évidence les traits de comportement à l’échelle métrique des sédiments contenant des hydrates – Tâche 4. Les résultats de ces travaux  seront ensuite utilisés pour définir des protocoles expérimentaux en laboratoire en vue de réaliser des essais mécaniques sur des échantillons reconstitués représentatifs de l’in situ. Les résultats obtenus dans le cadre du projet pourront être utiles aux ingénieurs dans le but de maitriser les risques, d’assurer la sécurité et l’efficacité de la production industrielle de gaz à partir de dépôts d’hydrates, en réduisant les impacts environnementaux. Un des schémas possibles de la production consiste à injecter du dioxyde de carbone dans les sédiments contenant des hydrates de gaz. Cette technique pourrait minimiser les risques géo-mécaniques, comme la déstabilisation du sédiment et la production de sable, en réduisant les impacts environnementaux de la consommation du gaz naturel par le stockage géologique du dioxyde de carbone.
Résultats : Les retombées scientifiques sont:
- L’acquisition de connaissances sur les processus de formation et de dissociation des hydrates de gaz à l’échelle des pores inter-granulaires.
- La caractérisation de l’effet de la quantité relative, de la distribution et de la morphologie des sédiments contenant des hydrates de gaz sur leurs propriétés mécaniques par différentes approches expérimentales et
théoriques.
- La maitrise des techniques de détection et de quantification de la présence d’hydrates de gaz dans des sédiments marins.
- L’appréhension de risques liés à l’exploitation du méthane à partir des sédiments contenant des hydrates.
Les retombées économiques, environnementales et sociétales sont principalement liées au méthane et au dioxyde de carbone :
- Les résultats scientifiques et techniques du projet contribuent aux avancées dans le domaine de l’exploitation des hydrates de méthane comme alternative aux sources d’énergies conventionnelles
- Les connaissances sur la formation des hydrates de dioxyde de carbone dans les conditions de l’offshore profond ont un impact sur le stockage géologique du CO2 et, spécifiquement, sur les processus de fuite d’un
réservoir géologique de stockage en offshore profond : en effet, le CO2 qui fuit et remonte vers le fond de la mer rencontre nécessairement les conditions de formation d’hydrate et peut ainsi contribuer au colmatage et l’arrêt de la fuite.
- Les observations sur la dissociation des hydrates de méthane conduisent à affiner les prédictions concernant le dégagement de gaz à effet de serre sous l’effet du réchauffement climatique.
- Enfin, d’autres domaines technologiques basés sur les hydrates et encore à un stade peu avancé de maturité technologique bénéficieront des avancées de ce projet : le captage du CO2, la réfrigération secondaire, la désalinisation de l’eau de mer et le traitement des eaux usées et des lixiviats.
Perspectives : Les résultats obtenus dans le cadre du projet pourront être utiles aux ingénieurs dans le but de maitriser les risques, d’assurer la sécurité et l’efficacité de la production industrielle de gaz à partir de dépôts d’hydrates, en réduisant les impacts environnementaux. Un des schémas possibles de la production consiste à injecter du dioxyde de carbone dans les sédiments contenant des hydrates de gaz. Cette technique pourrait minimiser les risques géo-mécaniques, comme la déstabilisation du sédiment et la production de sable, en réduisant les impacts environnementaux de la consommation du
gaz naturel par le stockage géologique du dioxyde de carbone.
Publications et brevets : A venir