Soutenance mémoire
Depuis plusieurs décennies, chaque décennie est notablement plus chaude que la précédente … Le changement climatique, s’il faisait encore débat il y a quelque temps, est maintenant bien réel. Le dernier rapport du GIEC ne fait que confirmer les conclusions des précédents rapports, et les récentes manifestations climatiques telles que l’intensification de l’activité cyclonique, la fonte des glaciers et l’élévation du niveau de la mer ne font qu’attester un processus déjà enclenché. Pour reprendre le jargon des experts du climat, il est désormais extrêmement probable – c’est-à-dire avec une probabilité supérieure à 95% – que l’élévation des températures sur le globe soit en partie due aux activités humaines.
Les « puits de carbone » de la planète tels que les océans et grandes forêts ne permettent d’absorber que la moitié des émissions totales émises durant toute une année ii , l’autre moitié étant accumulée dans l’atmosphère iii. Pour ces raisons, de nombreuses mesures tentent d’être mises en place pour réduire les émissions de gaz dans l’atmosphère, notamment en développant des solutions plus économes en énergie, pour le transport ou encore l’habitat, malheureusement cela reste marginal devant la consommation grandissante d’énergie fossile – avec en tête le charbon – dans la plupart des pays de la planète (hormis la France et le Japon). Les conséquences sont d’ailleurs de plus en plus globales comme le montre une récente étude de la NASA iv. En effet, les particules fines liées aux émissions de CO2 en Chine semblent être en partie responsables des hivers très rigoureux que connaissent les États-Unis depuis trois ans.
Parmi les solutions envisagées, le stockage géologique du CO2 est prometteur dans le sens où les capacités de stockage permettraient de couvrir largement (plusieurs siècles) la période pendant laquelle les ressources fossiles seront consommées jusqu’à épuisement (un à deux siècles). Différents types de stockage sont envisagés. D’une part, il y a la possibilité de stocker dans des gisements d’hydrocarbure épuisés ou dans des veines de charbon non exploitées pour lesquels les structures géologiques sont bien connues, mais les capacités sont limitées i , et leurs répartitions géographiques trop localisées. D’autre part, le stockage géologique est possible dans des aquifères salins profonds ii qui représentent le plus gros potentiel iii de stockage et sont disponibles à peu près sur toute la surface du globe, mais possèdent aussi les plus grandes incertitudes sur leurs capacités à confiner durablement le CO2. Cependant, la fiabilité du stockage doit encore être démontrée sur le plan technique et environnemental. Pour ce faire, de nombreuses recherches ont été lancées pour étudier l’impact des transformations géochimiques et mécaniques sur l’étanchéité des couvertures et des puits. Ces études se font généralement selon trois échelles iv. L’échelle de la roche couverture où l’on étudie de manière détaillée les roches couvertures argileuses possiblement faillées ou fracturées pouvant présenter des niveaux de fuites. Ces niveaux de fuites sont identifiés par des essais en laboratoire, et par des simulations numériques couplant altération géochimique des argiles et comportements mécaniques. L’échelle du réservoir où l’on étudie les processus d’écoulements multiphasiques et de réactivités géochimiques associées. À l’aide de modélisations numériques, des bilans de piégeage potentiel du CO2 sont réalisés suivant les caractéristiques du réservoir. La dernière échelle est celle du puits où les chemins de fuites potentielles le long des interfaces argile-ciment-cuvelage doivent être étudiés en détail. Cette échelle «puits» correspond en réalité à une zone dite « proche puits » car elle comprend toute la roche voisine dans un rayon de quelques mètres.
Pour modéliser et simuler de manière fiable le comportement du stockage dans le temps, il est donc important de bien comprendre les scénarii pouvant être à l’origine d’une rupture d’étanchéité comme la perte d’intégrité d’un puits, d’un réservoir ou encore la réactivation d’une faille. Les modèles actuels servant à l’étude de la perte d’étanchéité des sites de stockage se servent essentiellement de la compréhension des mécanismes physico-chimiques. Ce qui permet de voir dans quelle proportion la perméabilité du milieu en contact avec le CO2 est affectée. Et ainsi lorsque ces modèles prennent en compte les phénomènes de transport et la structure géologique du milieu, ils peuvent simuler l’évolution du panache de gaz stocké dans le réservoir. La mécanique du solide est encore peu utilisée dans ces modèles ou alors en faisant beaucoup d’hypothèses simplificatrices, mais parfois indispensables lorsque l’on souhaite modéliser des systèmes de très grandes tailles et que peu de paramètres sont mesurables directement. Les approches mécaniques développées sur ce thème se concentrent sur l’étude de la roche couverture. Les modèles mécaniques à l’échelle roche couverture qu’ils soient de nature numérique ou semi-analytique[90] essaient par une description simplifiée de déterminer les conséquences mécaniques de l’apparition du gaz dans le réservoir. Ces modèles ont pour objectif de prévoir la migration du gaz par des chemins préférentiels en modélisant l’amorçage et/ou la réactivation de réseau de fractures ou de failles dus à l’augmentation de la pression interstitielle dans le milieu, par l’injection de gaz pouvant affecter la pérennité de la roche couverture. Pour ce qui est de la pérennité de la zone proche puits, les études faites sur les conséquences mécaniques de l’injection à cette échelle sont limitées et encore incomplètes tant les facteurs pouvant induire une dégradation sont nombreux. De plus, cette zone est le siège de phénomènes physiques complexes provoquant des déformations irréversibles sur des périodes très courtes à l’échelle du stockage. Le puits bien qu’étant relativement simple de conception est une structure présentant de multiples interfaces pouvant être considérées comme autant de chemin de fuites potentielles du gaz. En théorie, le ciment coulé après le forage du puits entre le cuvelage en acier et la formation rocheuse a pour vocation de rétablir l’étanchéité naturelle entre les différentes couches géologiques traversées par le puits. Une fois pris, le ciment constitue une interface de quelques centimètres d’épaisseur entre la roche et le cuvelage. Cette interface cimentaire apparaît comme le point le plus critique vis-à-vis de l’étanchéité et du confinement CO2 injecté en raison des forts gradients de pression et gradients hydriques générés localement. Pour ces raisons, les scénarii à l’origine de la perte d’étanchéité à l’échelle « proche puits » ne sont pas clairement identifiés. En effet, de nombreux travaux ont récemment tenté de reproduire en laboratoire les conditions d’altérations géochimiques de la gaine cimentée en environnement CO2 pour établir le lien avec la perte d’étanchéité de la structure. Néanmoins, il est légitime de penser que la dégradation chimique ne peut-être le seul facteur à l’origine de la perte d’étanchéité, mais plutôt un ensemble complexe de couplages multiphysiques qui semblent être responsables de cette perte d’étanchéité. Pour ces raisons, la modélisation multiphysique avec comme principaux outils ceux de la mécanique peut participer à faire progresser la compréhension des mécanismes à l’origine de la perte d’étanchéité dans la zone proche puits.
Analyse préliminaire, démarche expérimentale et approche proposée
Le stockage géologique de CO2
Parmi les différentes options de stockage en cours d’évaluation, le stockage de CO2 dans des formations géologiques présente le plus grand potentiel de réduction des émissions anthropiques, mais aussi les plus grandes incertitudes et difficultés techniques et économiques. La procédure du stockage géologique se résume assez bien par son acronyme Carbon Capture Storage (CCS)i . Les perspectives de déploiements à l’échelle industrielle impliquent que le facteur sécurité soit totalement maitrisé sur toute la chaîne de développement. En effet, le stockage souterrain prévu dans des réservoirs de capacité suffisante, tels que les veines de charbon trop profondes pour être exploitées, les aquifères salins, les réservoirs de pétrole (ou de gaz) en fin de vie, exige une parfaite étanchéité des puits sur des durées séculaires. Les aquifères salins présentent les qualités de stockage les plus importantes d’un point de vue géologique. Pour se donner une idée, la capacité de stockage potentielle dans les aquifères profonds est de l’ordre de 400 à 10 000 Gt, soit 10 à plus de 250 fois les émissions de CO2 cumulées en 2013 .
Accidentologie du stockage CO2
Les risques liés au stockage de CO2
La sécurité d’un site de stockage de CO2 peut être évaluée selon « les trois exigences fondamentales iii » suivantes :
• le site de stockage évolue vers une situation de stabilité à long terme ;
• le comportement observé du CO2 injecté est conforme au comportement modélisé;
• aucune fuite détectable.
L’objectif est alors de quantifier le risque à partir de ces trois points pour garantir la sécurité du site. Le premier point est celui qui statistiquement représente le moins de risques d’un point de vue opérationnel, i.e que les couplages géochimiques théoriques, activent des mécanismes iv (piégeage résiduel, piégeage stratigraphique, piégeage par dissolution et piégeage minérale) de pérennisation en assurant la stabilisation du site de stockage à long terme.
Le deuxième point est une exigence de surveillance du réservoir post-injection, c’està-dire que la modélisation de réservoir doit permettre de manière prédictive de suivre le développement progressif du panache de CO2.
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Table des matières
Introduction
1 Analyse préliminaire, démarche expérimentale et approche proposée
Introduction
1 Le stockage géologique de CO2
2 Accidentologie du stockage CO2
2.1 Les risques liés au stockage de CO2
2.2 Défaillance des puits d’injection et de la zone proche puits
3 Identification d’un scénario de dégradation
3.1 Analyse d’éléments bibliographiques clés
3.2 Proposition d’un scénario probable
4 Démarche et méthodes expérimentales
4.1 Matériau d’étude : ciment pétrolier
4.2 Préparation du ciment
4.3 Préparation des plots ciment-acier
4.4 Effet de la température
4.5 Effet de la pression
5 Essais de vieillissement par carbonatation
5.1 Principe et description des essais
5.2 Conditions de vieillissement en chambre thermopressurisée
5.3 Conditions de vieillissement des échantillons en dessiccateur
6 Résultats
6.1 Mesures de perméabilité
6.2 Mesures des carbonates par analyse thermogravimétrique
6.3 Observation des effets de la dessiccation
7 Essais de cisaillement
7.1 Principe de l’essai
7.2 Description de l’essai
8 Résultats
Conclusion
2 L’approche choisie : modélisation multiphasique d’un milieu poreux
Introduction
1 Notion de contrainte effective en poroélasticité
2 Une approche micro-macro de modélisation de milieu poreux multiphasiques
2.1 Choix du volume élémentaire représentatif
2.2 Opérateurs de moyennes
2.3 Équations génériques de bilan microscopique
2.4 Équations génériques de bilan macroscopique
2.5 Cinématique d’un milieu poreux à l’échelle macroscopique
3 Équations de conservation
3.1 Équations de conservation macroscopique de la masse
3.2 Équation de conservation de la quantité de mouvement
4 Équations constitutives
4.1 Loi d’état de la phase solide
4.2 Loi de comportement de la phase solide
4.3 Loi d’état de phase fluide
4.4 Loi de Darcy
4.5 Notions de pression capillaire et de saturation
4.6 Modèles de saturation et de perméabilité
5 Formulation du problème de poroélasticité en milieu multiphasique
5.1 Équations de champs
5.2 Équation de champs en pression
5.3 Conditions aux limites
5.4 Conditions initiales
5.5 Formulation forte du problème
Conclusion
3 Mise en œuvre numérique du modèle multiphasqiue
Introduction
1 Formulation variationnelle mixte en vitesse-pressions pour le problème de poroélasticité
1.1 Formulation variationnelle des équations de mouvement
1.2 Formulation variationnelle des équations de champs en pressions
1.3 Formulation générale et espace de solution
2 Approximation par éléments finis
2.1 Discrétisation en espace
2.2 Système matriciel à résoudre
3 Algorithmes de résolution
3.1 Discrétisation temporelle
3.2 Variante de la méthode de Newton
4 Description du problème et stratégie de résolution
4.1 Méthode simultanée
4.2 Méthode étagée
4.3 Résumé
5 Technique d’implémentation : généricité
5.1 Principe de généricité
5.2 Implémentation
6 Simulation d’un écoulement diphasique en milieux poreux déformables
6.1 Test de Liakopoulos
6.2 Résultats
Conclusion
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