Projet ANR-14-CE05-0023 – TEAM2ClayDesicc : Expansion Thermique des Milieux Microporeux Adsorbants, Application à la Dessiccation des Argiles par Chauffage
Programme : Usage du sous-sol dans une perspective énergétique (DS0202) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent Brochard (Ecole Nationale des Ponts et Chaussées - NAVIER - Multi-Echelle)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 176941.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : Les argiles sont des matériaux nanostructurés qui contiennent de l’eau sous forme adsorbée, i.e., les molécules d’eau interagissent avec le squelette solide. Il est bien connu que l’hydratation et la déshydratation des argiles induisent des déformations importantes du matériau  qui peuvent mener à des instabilités comme la fissuration par dessiccation des sols en période de sécheresse. La fissuration des roches argileuses peut être néfaste (stockage géologique de CO2 ou de déchets nucléaires) ou bénéfique (extraction d’hydrocarbures). La dessiccation des argiles peut être induite par chauffage puisque qu’une augmentation de température tend à déshydrater et donc à contracter le matériau. La stimulation thermique est l’une des alternatives possibles à la fracturation hydraulique pour l’exploitation des gaz et huiles de schiste dans les réservoirs riches en argiles. Mais cette piste technique est exploratoire et sa faisabilité doit être démontrée. Dans ce projet, nous étudierons en détail la physique à l’origine de l’expansion thermique des milieux microporeux adsorbants, en particulier le cas des argiles, afin d’évaluer in fine la faisabilité de la stimulation thermique des schistes. Il est connu que l’adsorption dans les solides microporeux induit des déformations inhabituelles, qui peuvent être comprises à l’échelle moléculaire et décrites théoriquement par intégration thermodynamique. L’adsorption peut induire aussi bien des contractions que des gonflements suivant les interactions moléculaires entre le fluide et le solide. Dès lors, l’expansion thermique des milieux microporeux sous adsorption peut être complexe et nous proposons dans ce projet de l’étudier à partir de l’échelle moléculaire afin de comprendre des mécanismes physiques impliqués. Nous étudierons divers situations modèles par simulation moléculaire et nous établirons une description analytique des phénomènes à partir d’une dérivation thermodynamique. Nous accorderons une attention toute particulière aux mécanismes physiques qui sont pertinents pour les argiles. Les argiles sont des matériaux multi-échelles complexes dont la nanostructure est faite de feuillets avec des micropores plans où l’adsorption est structurée en couches et induit un gonflement orthogonal aux couches, avec des transitions soudaines en fonction du potentiel chimique de l’eau et de la température. A l’inverse, les expériences macroscopiques sur les matériaux argileux font apparaitre des déformations thermiques continues, avec aussi bien des contractions que des dilatations en fonction du degré de pré-consolidation du matériau et du niveau de température.  Dans ce projet, nous étudierons l’expansion thermique des argiles depuis l’échelle moléculaire jusqu’à l’échelle macroscopique et nous chercherons à concilier les comportements aux différentes échelles. Une compréhension fine du comportement des argiles permettra de mettre en place une modélisation thermo-hydro-mécanique qui soit valide sur de larges gammes de températures et de contraintes in-situ, pertinentes pour l’application à la stimulation thermique des argiles. Finalement, cette modélisation constitutive servira de base à une analyse de stabilité des réservoirs de schiste  et ainsi déterminer les conditions favorables à la fissuration par dessiccation. La structure de ce projet est une démarche  multi-échelle complète qui s’appuie sur la simulation moléculaire, la thermodynamique et la physique statistique, l’homogénéisation mécanique et la mécanique des roches. Ce projet fournira des résultats scientifiques intéressants pour la compréhension des milieux microporeux en général et pour des argiles en particulier. Le projet aura également un impact pertinent pour des applications et problèmes émergents en géotechniques, tout particulièrement l’extraction des huiles et gaz de schiste.