CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Stockage souterrain d'énergies renouvelables dans les géomatériaux à faible permeabilité – STOWENG

STOWENG

Stockage souterrain d’énergies renouvelables en matériaux de faible perméabilité

Instabilités hydro-mécanique dans les géomatériaux de faible perméabilité

Les technologies de stockage d’énergie en souterrain joueront un rôle central dans la transition en douceur vers un avenir bas carbone. En particulier le stockage d'énergie en sous-sol est l'une des solutions actuelles pour résoudre les irrégularités de production et de consommation d'énergie. <br />Le projet étudie les effets du stockage à long terme des hydrocarbures sur l'environnement et plus spécifiquement l'interface entre la roche aquifère et sa couverture «étanche», qui constitue potentiellement une zone critique pour la réponse hydromécanique, cause d’instabilités et de risques environnementaux.<br />L'objectif du projet est d’analyser ces instabilités, surtout la fissuration du solide et l’écoulement par digitation du fluide.<br />Une approche multidisciplinaire est adoptée qui fusionne les compétences en géomécanique expérimentale à l'échelle microscopique et de laboratoire avec la modélisation constitutive et numérique, pour identifier les caractéristiques macroscopiques des géomatériaux de faible perméabilité, par rapport à leurs propriétés d'étanchéité et de résistance mécanique.<br />Des activités expérimentales avancées et des méthodes d'analyse d'images ad hoc sont développées basées d'une part sur une machine d’essais biaxiaux originale, équipée de caméras multi-résolutions, spécialement conçue pour identifier la digitation et la localisation des déformations dans les milieux granulaires, et d'autre part sur des essais de drainage et imbibition développés sous tomographie neutrons et rayons X pour obtenir des mesures locales de l'écoulement des fluides et des déformations.<br />L'activité de modélisation est consacrée à la formulation et à l'implémentation numérique d'un modèle champ de phase de milieu partiellement saturé couplé avec des modèles de plasticité et endommagement, initialement dans un code Eléments Finis Matlab, puis dans LAGAMINE (code EF développé à l’Université de Liège), plus adapté à la résolution de problèmes à échelle réelle.

Le projet est basé sur une approche multidisciplinaire qui mélange géomécanique expérimentale, loi de comportement et modélisation numérique.
Ces domaines mutuellement connectés sont explorés pour détecter et modéliser la digitation et les déformations localisées dans les géomatériaux peu perméables en utilisant des méthodes et techniques avancées impliquant: (i) la conception et la mise en œuvre d'une nouvelle machine d’essais biaxiaux pour étudier les instabilités hydromécaniques dans les milieux granulaires; cette machine est un équipement unique où l'échantillon est placé entre deux fenêtres transparentes en saphir qui donnent accès à son état courant grâce à un système de caméras optiques multi-résolutions (entre 5 et 50MPixels) et d'acquisition multi-fréquences (entre 1 et 500 Hz en pleine vue); (ii) le développement d’essais sur des échantillons naturels imagés en utilisant à la fois la tomographie x et la tomographie neutrons afin de identifier la digitation; cela est possible dans la ligne NeXT de l’ILL de Grenoble où des échantillons initialement saturés d'eau lourde (deutérium) seront soumis à des essais de drainage et des échantillons secs seront sujets à l'injection d'eau lourde; (iii) le développement de nouvelles techniques basées sur la corrélation d'images numérique (DIC) pour détecter la propagation du front de fluide à travers un milieu partiellement saturé et mesurer localement les déplacements induits; (iv) la modélisation constitutive enrichie de milieux granulaires partiellement saturés et la caractérisation par analyse de stabilité des conditions de déclenchement de la digitation et des déformations localisées; (v) l'implémentation numérique du modèle enrichi en adoptant la méthode d’éléments finis mixtes, initialement dans l'environnement Matlab, puis dans LAGAMINE (vi) la simulation de la réponse des géomatériaux peu perméables à l'interface entre réservoir aquifère et roche couverture pour différentes parcours de chargement hydromécanique.

Les résultats partiels à M18 sont dans l’ensemble en ligne avec le programme. En ce qui concerne les activités expérimentales autour de la machine d’essais biaxiaux, elles ont été précédées par des essais œdometriques, réalisés pour jeter les bases des techniques de traçage du front du fluide et de calcul des déformations à travers des méthodes de corrélation d’images. A partir de Novembre 2019 la validation de la machine d’essais biaxiaux a démarré et l’acquisition des premières images haute résolution a permis de mettre au point la méthode de détection du front du fluide. La méthode de mesure des déplacements en s’affranchissant de la présence des fluides sur les images est actuellement en développement.
En ce qui concerne l’analyse des géomatériaux naturels, une campagne expérimentale préliminaire a été menée afin de choisir le matériau et les fluides, ainsi que définir les protocoles d’essai et les paramètres à utiliser pour l’imagerie – aux rayons X dans un premier temps. Le matériau retenu est le grès de Fontainebleau; de l’eau avec du iodure de sodium est injectée dans l’échantillon saturé en huile, ce qui provoque la digitation visqueuse (vitesses d’injection élevées) ou capillaire (vitesses plus baisses). Cependant, la vitesse de développement de la digitation n’a permis de reconstruire une image 3D que dans le cas de la digitation capillaire, tandis que pour la digitation visqueuse on n’arrive (pour l’instant) à acquérir qu’une séquence d’images 2D.
En ce qui concerne les activités en modélisation numérique: le modèle champ de phase enrichi pour les milieux partiellement saturés a été implémenté dans un code aux EFs programmé en Matlab. L’implémentation du modèle poromécanique couplé avec un modèle d’endommagement capable de décrire la fissuration du milieu partiellement saturé est en cours. Les premières simulations numériques montrent des résultats très encourageant en termes de capacité du modèle de capturer le phénomène de digitation.

La seconde moitié du projet devrait apporter les premières réponses aux questions que nous nous sommes posées au début de ce projet: y a-t-il un couplage entre la digitation et la localisation des déformations? Sommes-nous en mesure d'observer la localisation des déformations induite par la digitation, sous chargement hydraulique et vice-versa la digitation induite par la présence de bandes de cisaillement, sous chargement mécanique? Sommes-nous capables de reproduire numériquement les résultats expérimentaux?
Les objectifs à court terme, qui pourraient être atteints avant la fin du projet, sont: (i) la validation complète de la machine d'essais biaxiaux et le développement des essais de drainage/imbibition à l'échelle du laboratoire sur des matériaux granulaires prototypes; le couplage hydromécanique sera caractérisé au moyen de méthodes DIC spécifiquement développées pour capturer la position du front du fluide ainsi que les déformations induites; (ii) une nouvelle campagne expérimentale utilisant l'installation NeXT à l’ILL de Grenoble pour capturer le couplage hydromécanique dans les géomatériaux naturels déformables lorsque des conditions de drainage et imbibition sont prises en compte; (iii) une validation complète du modèle numérique, couplant l'instabilité des fluides, les déformations plastiques et l’endommagement.
Les objectifs à long terme, qui dépasseront probablement la fin du projet, concernent: (i) la validation des résultats de la machine d'essais biaxiaux au moyen d'un appareil triaxial adapté à la saturation partielle, dont l'acquisition à l’ECN est en cours ( ii) l'identification de matériaux analogues, alternatifs aux vermiculites initialement prévues dans le projet, adaptés pour identifier à l'échelle du laboratoire les couplages chémo-mécaniques, caractéristiques des géomatériaux argileux; (iii) la réalisation de simulations à la grande échelle décrivant l'interaction entre le réservoir aquifère, la roche couverture et le milieu environnant.

Communications

1. G. Sciarra A phase field approach to fingering and fracturing in partially saturated porous media, Keynote Lecture EMI International Conference, Lyon 3-5 Juillet 2019
2. S. Ommi, G. Sciarra, P. Kotronis A Phase field approach of damage evolution in partially saturated porous media EMI International Conference, Lyon 3-5 Juillet 2019
3. G. Viggiani. P. Bésuelle, A. Papazoglu, A. Tengattini. Thermo-hydro-mechanical localized patterns in geomaterials: recent experimental observations, Keynote Lecture, IAS Workshop on Emerging Scales in Granular Media, Hong-Kong, 14-16 January 2020

Les technologies énergétiques souterraines font partie intégrante de la transition en douceur vers un avenir durable à faible émission de carbone. Le stockage d'énergie dans des réservoirs souterrains est l'une des solutions actuelles pour tenter de résoudre les irrégularités de production et de consommation d'énergie. Deux types de stockage souterrain sont particulièrement importants: à court terme le stockage sous terre d'air comprimé, d'hydrogène ou d'eau, à long terme le stockage/séquestration d'hydrocarbures et de CO2. Dans ce projet on se focalise sur ce dernier sujet.
Les propriétés pétrophysiques et hydro-thermo-mécaniques des matériaux des réservoirs souterrains sont fondamentales pour l’évaluation du rendement et du potentiel de stockage de ces derniers; cependant, elles sont localement différentes par rapport au reste du bassin. L'interface entre la roche réservoir et le champ proche, en particulier le caprock, est donc une zone potentiellement critique, en raison des instabilités qui peuvent se déclencher et des risques environnementaux élevés associés à une perte d’étancheité du réservoir. Le déclenchement et la propagation de fractures causés par des variations plus ou moins soudaines de température ou de pression peuvent compromettre le confinement du stockage, provoquer une migration du gaz/fluide à travers la nappe phréatique et induire de la micro-sismicité.
L'objectif principal de ce projet est d'étudier les conditions de déclenchement de ces états critiques, notamment la fracturation de la phase solide et la digitation du fluide, à l'interface entre le réservoir souterrain et la formation hôte, et d'établir des relations de causalité entre les deux. Les géomatériaux argileux à faible perméabilité, constituant typiquement le champ proche du réservoir, ont été choisi dans cette étude.
Une approche pluridisciplinaire sera adoptée, qui vise à rassembler différentes compétences, dans le domaine de la géomécanique expérimentale, à l'échelle microscopique et de laboratoire, dans les lois de comportement et dans la modélisation numérique, pour identifier les caractéristiques principales des géomatériaux argileux de faible perméabilité en termes d'étanchéité hydraulique et de résistance aux contraintes appliquées. L'intérêt principal, et l'originalité, du projet résident dans l’acquisition de nouvelles connaissances, et compétences dans la modélisation, des processus physiques qui sont à la base du comportement des géomatériaux argileux à faible perméabilité ainsi que dans la description des effets de ces phénomènes sur les propriétés du sol argileux à l’échelle macroscopique.
Afin de comprendre dans quelle mesure l'étanchéité des réservoirs souterrains est affectée par l'apparition de ces états critiques, des géomatériaux modèles à faible perméabilité, des mélanges sable-argile préparés en laboratoire et des géomatériaux argileux naturels seront testés, scannés et modélisés, dans différentes conditions de chargement hydro-mécanique.
L'activité expérimentale se concentrera avant tout sur l’investigation, à l'échelle du laboratoire, de matériaux analogues: d'un coté, des matériaux granulaires saturés par des fluides très visqueux, pour simuler une faible conductivité hydraulique; de l'autre coté des macro-cristaux d'argile, qui seront utilisés pour étudier le couplage chemo-mécanique, mais à une échelle beaucoup plus grande que celle typique des matériaux naturels. Deuxièmement, des essais à la micro-échelle seront mis en œuvre en utilisant des mélanges sable-argile et des géomatériaux naturels, dans des conditions de chargement biaxial et in-situ.
L'activité de modélisation sera consacrée à la formulation et à l’implémentation numérique d'un modèle de type champ de phase permettant de décrire la condition de saturation partielle. La présence de plusieurs phases fluides dans le réseau poreux et la possibilité de déclencher des phénomènes de localisation des déformations et de rupture du solide seront considérées.

Coordination du projet

Giulio Sciarra (INSTITUT DE RECHERCHE EN GÉNIE CIVIL ET MÉCANIQUE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Université de Liège / ArGenCo
GeM INSTITUT DE RECHERCHE EN GÉNIE CIVIL ET MÉCANIQUE
3SR Sols, Solides, Structures, Risques
Università di Roma TorVergata / Dipartimento di Ingegneria Civile e Informatica

Aide de l'ANR 465 719 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2018 - 36 Mois

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