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Comprendre la rยดeactivitยด du CO2
Sโassurer de la bonne tenue des sites de stockage de CO2 nยดecessite dโหetre capable de prยดevoir lโยดevolution a` long terme de la bulle de CO2 dans la formation rยดeservoir ainsi que son impact sur la couverture et les matยดeriaux de scellement de puits.
La solubilitยดe du CO2 dans les saumures est aujourdโhui relativement bien connue (Duan et Sun, 2003; Portier, 2005) et la rยดeactivitยด du CO2 dissous avec lโencaissant est largement abordยดee par la littยดerature. De nombreux travaux ont en e๏ฌet vu le jour concernant la rยดeactivitยด dโesp`eces minยดerales pures comme la calcite, la dolomite (Po-krovsky et al., 2005; Golubev et al., 2005), ou lโolivine (Giammar et al., 2005), concer-nant ยดegalement la rยดeactivitยด de roches reprยดesentant aussi bien la formation rยดeservoir que la couverture (Pearce et al., 1996; Kaszuba et al., 2003, 2005). Enfin, de nombreuses ยดetudes intยดeressent plus spยดecifiquement la dยดegradation des scellements de fond de puits dโinjection (Krilov et al., 2000; Pironon et al., 2007).
En revanche, la rยดeactivitยด du CO2 supercritique avant quโil ne se dissolve dans lโeau de lโencaissant est encore largement mยดeconnue. Cette rยดeactivitยด est a priori faible et ne devrait pas bouleverser les bilans de piยดegeage minยดeral au sein de lโaquif`ere. Cependant, mหeme de second ordre, elle pourrait jouer un rหole important : lโe๏ฌet de la poussยดee dโAr-chim`ede alliยดe a` la tr`es faible viscositยดe du CO2 pourrait permettre a` celui-ci de percoler a` travers les pores de la couverture et de modifier ses propriยดetยดes hydrodynamiques : par augmentation locale de la permยดeabilitยด ou par dยดegradation de la configuration des pores. Risque dโautant plus grand quโune part importante de la bulle de CO2 est amenยดee a` demeurer sous cette forme durant des dยดecennies (Gale, 2004).
Il existe nยดeanmoins quelques travaux traitant de la rยดeactivitยด dโune phase CO2(sc) vis-a`-vis de minยดeraux (et non pas dโune phase CO2(sc) au contact dโune phase aqueuse dans laquelle baigne le minยดeral). La plupart portent sur la dยดegradation des ciments (Onan, 1984; Hartmann et al., 1999; Duguid, 2006; Jacquemet, 2006) ou dยดecrivent des process industriels comme la synth`ese de calcite a` partir de carbonatation de la portlandite en prยดesence de CO2(sc) (Gu et al., 2006). Mais, dans lโensemble, les phยดenom`enes inhยดerents a` la rยดeactivitยด du CO2 vapeur ou supercritique sont encore peu dยดecrits et encore moins quantifiยดes.
Les incertitudes qui demeurent sur ces questions sont a` lโorigine de nos travaux et nous nous sommes attachยดe a` dยดecrire, comprendre et quantifier la rยดeactivitยด dโun matยดeriel minยดeral au contact de CO2(sc). Mais avant de dยดefinir avec plus de prยดecision les objectifs de notre ยดetude, nous commencerons par prยดesenter une sยดerie dโexpยดeriences qui a servi de cadre prยดeparatoire a` notre recherche.
Expยดeriences prยดeliminaires
Lโobjectif de ces premiers travaux expยดerimentaux visait a` mettre en ยดevidence et a` dยดecrire les indices dโune ยดeventuelle rยดeactivitยด minยดerale vis-a`-vis du CO2(sc). Cโest a` partir de cette ยดetude quโa etยด dimensionnยด lโensemble de la campagne dโexpยดeriences que nous allons prยดesenter dans ce mยดemoire.
Nous exposerons tout dโabord bri`evement la mยดethode expยดerimentale adoptยดee ainsi que les principaux rยดesultats obtenus. Lโensemble a dยดej`a fait lโobjet dโune publication qui rend compte de faยธcon plus prยดecise du contenu de ces expยดeriences (Regnault et al., 2005). Nous souhaitons prยดesenter ici les conclusions auxquelle nous ยดetions parvenu et qui nous ont guidยดe pour la suite de notre recherche.
Face au caract`ere exploratoire de cette ยดetude, nous avons montยดe un protocole expยดerimen-tal tr`es simple consistant a` faire rยดeagir en batch une sยดelection de phases minยดerales pures avec du CO2 anhydre ou initialement enrichi en eau. La pression et la tempยดerature ont etยด fixยดees a` 105/160 bars et 200หC, conditions compatibles avec celles dโune formation gยดeologique profonde susceptible de stocker du CO2. La durยดee du batch a variยดe de 45 a` 60 jours suivant les expยดeriences.
Le rยดeacteur, prยดesentยด dans la figure 1.1, se compose dโune cellule en titane comportant plusieurs puits pยดeriphยดeriques destinยดes a` accueillir la charge minยดerale. Le puits central est dยดediยด a` lโinjection du CO2. Pour chaque expยดerience, nous avons placยดe cinq minยดeraux au fond des puits pยดeriphยดeriques. Il est important de remarquer que toutes les phases, bien quโisolยดees dans leurs compartiments, sont au contact du mหeme fluide rยดeactionnel.
Les minยดeraux ont etยด choisis pour reprยดesenter lโensemble des milieux gยดeologiques visยดes par le stockage de CO2 ; six phases ont etยดe retenues. Les cinq premi`eres, a` dยดefaut dโหetre courantes a` lโยดetat naturel, appartiennent toutes a` des classes minยดerales frยดequemment rencontrยดees dans les milieux gยดeologiques concernยดes. Ces cinq minยดeraux sont le phlogo-pite, lโanorthite, la glauconite, la forsterite et la dolomite. Le choix de pหoles purs pour les solutions solides1 est destinยด a` faciliter lโinterprยดetation des rยดesultats en simplifiant le syst`eme chimique. Le sixi`eme minยดeral, la portlandite, constitue lโune des phases les plus intยดeressantes de la sยดelection. Cโest un composant majeur de nombreux ciments et lโยดetude de sa rยดeactivitยด est a priori riche en informations sur le comportement des phases cimentaires constituant les puits dโinjection et servant a` terme a` leur scellement.
Expยดeriences prยดeliminaires
Rยดeactivitยด de lโanorthite
Lโanorthite a dยดeveloppยด au cours de ces expยดeriences une rยดeactivitยด notable et tr`es contrastยดee selon que le fluide rยดeactionnel contenait ou non de lโeau initialement.
En prยดesence dโeau liquide, le minยดeral montre de nombreux indices de corrosion associยดes a` une prยดecipitation massive de minยดeraux secondaires. Le cort`ege des phases nยดeoformยดees se compose majoritairement dโargiles (smectites), de calcite et dans une moindre mesure dโaragonite et de tridymite. Les argiles tapissent enti`erement certaines faces des grains dโanorthite (cf. Fig. 1.2 a). La calcite apparaหฤฑt majoritairement sous la forme de rhombo`edres dโune dizaine de microm`etres de cหotยดe. Lโaspect irrยดegulier des faces est dหu a` une croissance prยดefยดerentielle de certains plans cristallins. La calcite a ยดegalement prยดecipitยด en petits rhombo`edres de 1 a` 2 ยตm de cหotยดe parfaitement bien cristallisยดes. Lโara-gonite, prยดesente en plus faible quantitยดe, apparaหฤฑt en amas de cristaux hexagonaux de 1 a` 5 ยตm de cหotยดe recouverts partiellement par des argiles (cf. Fig. 1.2 e). Enfin, nous avons observยด localement la prยดesence de tridymite qui sโest dยดeveloppยดee en lยดepidosph`eres de plaquettes de 1 a` 5 ยตm de cหotยดe (cf. Fig. 1.2 f).
En absence dโeau initiale dans le fluide, la rยดeactivitยด de lโanorthite semble moins importante, mais les indices de rยดeactions sont omniprยดesents. Les faces des grains, initia-lement lisses, sont recouvertes de nombreuses figures interprยดetยดees comme des traces de dissolution associยดees a` des amorces de cristallisations secondaires. On aperยธcoit notam-ment de petits minยดeraux pseudo-rhomboยดedriques pouvant หetre attribuยดes a` des carbo-nates, ainsi que de nombreuses formes en croissant ยดevoquant lโยดebauche dโun tapis argi-leux (cf. Fig. 1.3 a). Plaquยดees sur ces surfaces, de nombreuses cristallisations fibreuses, de grande taille (10 ยตm), participent ยดegalement a` la dยดemonstration dโune rยดeactivitยด non nยดegligeable (cf. Fig. 1.3b). Il sโagit de calcite a` croissance radiale.
Rยดeactivitยด du phlogopite
Concernant le phlogopite, nous nโavons relevยด dโindice de rยดeactivitยด ques pour lโexpยดerience mettant en jeu un fluide rยดeactionnel composยดe de CO2 initialement anhydre. Lโanalyse en di๏ฌraction de rayons X (cf. Fig. 1.4) traduit une rยดeaction de carbonatation a` travers lโapparition de magnยดesite. Lโobservation en microscopie ยดelectronique a` balayage montre que les grains de pe-tite taille, mais aussi les surfaces des grains les plus gros, prยดesentent un faci`es arrondi, emoussยดe, et paraissent parfois comme enrobยดes par une prยดecipitation secondaire mal dยดefinie (cf. Fig. 1.5 a). Par ailleurs, de nombreux corps sphยดeriques plurimicromยดetriques sont apparus au cours de lโexpยดerience (cf. Fig. 1.5 b). Leur nature nโa pas etยด clairement dยดeterminยดee. On peut seulement suspecter quโil sโagit de la magnยดesite dont la prยดesence a etยด mise en ยดevidence en di๏ฌraction de rayons X.
(a) Vue caractยดeristique de la surface de lโanorthite avant expยดerience. (b) Apr`es la rยดeaction, la surface est tapissยดee de petits minยดeraux pseudo-rhomboยดedriques (carbonates) et de nombreuses figures en croissant, interprยดetยดees comme la mise en place dโargiles ยดepitaxiales.
(c) et (d) Calcite fibreuse a` croissance radiale plaquยดee sur la surface de lโanorthite.
Rยดeactivitยด de la portlandite
La portlandite est la phase minยดerale qui prยดesente la rยดeactivitยด la plus marquยดee : en prยดesence ou en absence dโeau initiale dans le fluide rยดeactionnel, la portlandite est massivement carbonatยดee. En prยดesence dโeau liquide les analyses en di๏ฌraction de rayons X traduisent une recristallisation compl`ete de la portlandite en calcite. Celle-ci se prยดesente sour la forme de petits cristaux rhomboยดedriques bien dยดefinis (cf. Fig. 1.7 a).
En absence dโeau initiale dans le fluide, la rยดeaction de carbonatation est ยดegale-ment presque compl`ete. Elle se manifeste par la prยดecipitation de calcite et dโaragonite. La prยดesence de ces deux polymorphes du carbonate de calcium a etยด mise en ยดevidence par di๏ฌraction de rayons X. Les trois pics de di๏ฌraction principaux de lโaragonite sont bien visibles sur le diagramme DRX de la figure 1.6. Les cristaux de calcite sont de forme rhomboยดedrique mais apparaissent moins bien cristallisยดes quโen prยดesence dโeau liquide. Lโaragonite se dยดeveloppe en plaquettes hexagonales (cf. Fig. 1.7 b).
Conditions expยดerimentales
Trois sยดeries dโexpยดeriences P1, P2 et P3 ont etยด menยดees. Elles se composent chacune dโune sยดerie de runs de carbonatation dโun ยดechantillon de poudre de portlandite, menยดes a` des conditions de pression, de tempยดerature et de teneur en eau di๏ฌยดerentes. Nous dยดetaillons dans les paragraphes suivants les conditions de ces expยดeriences ainsi que les motivations qui nous ont amenยด a` les sยดelectionner.
Conditions de pression et de tempยดerature
Le domaine de pression et de tempยดerature etudiยด a etยด choisi pour reprยดesenter les conditions dโun stockage gยดeologique de CO2. Le tableau 2.2 prยดesente les conditions de pression et de tempยดerature moyennes de trois formations aquif`eres profondes : lโaquif`ere dโUtsira surmontant le gisement gazier de Sleipner en mer du Nord et les aquif`eres du Keuper et du Dogger dans le bassin de Paris.
Teneur en eau du fluide rยดeactionnel
Lโimportance de la teneur en eau du fluide rยดeactionnel a dยดej`a etยด evoquยดee au chapitre prยดecยดedent : le mode de rยดeactivitยด minยดerale en prยดesence dโun mยดelange CO2-H2O dยดepend fortement de la composition qui r`egle notamment lโยดetat de phase du syst`eme.
Nous avons reprยดesentยด dans la figure 2.1 le diagramme de phases du mยดelange CO2-H2O a` 200หC. Cette figure montre les trois di๏ฌยดerents domaines de phases en fonction de la composition du mยดelange. Elle permet de visualiser facilement les rยดegions du champ pression-composition. De droite a` gauche, en suivant lโenrichissement du fluide en eau, on distingue la zone dโexistence du mยดelange vapeur composยดe dโune seule phase vapeur, puis le domaine dโยดequilibre liquide-vapeur composยดe dโune phase liquide riche en eau et dโune phase vapeur riche en CO2, et enfin la rยดegion dโexistence (tr`es rยดeduite) du mยดelange liquide composยดe dโune seule phase liquide.
Les conditions en eau des trois principales expยดeriences de notre ยดetude P1, P2 et P3 ont etยด choisies afin dโยดetudier lโinfluence de la teneur en eau et, par l`a mหeme, lโinfluence de lโยดetat de phase du fluide rยดeactionnel sur la carbonatation de la portlandite.
Nous avons reprยดesentยด dans la figure 2.2 les teneurs en eau initiales des trois expยดerien-ces. Cependant, la maหฤฑtrise de ce param`etre est compliquยดee par le fait que la rยดeaction de carbonatation de la portlandite produit elle-mหeme de lโeau (cf. Eq. 2.1). En considยดerant que la rยดeaction de carbonatation de la portlandite ยดetait compl`ete, nous avons calculยดe lโยดevolution de la teneur en eau pour chacune des expยดeriences (cf. Fig. 2.2). Nous revien-drons de faยธcon plus prยดecise au chapitre 3 sur le calcul de lโยดevolution de la composition du fluide rยดeactionnel au cours de la rยดeaction.
Pour P1, le fluide initial injectยด contient su๏ฌsamment dโeau pour permettre lโยดequilibre liquide-vapeur et la rยดeaction se poursuit toujours en prยดesence dโune phase liquide riche en eau. Pour P2 et P3, les fluides initiaux sont composยดes de CO2 anhydre, mais leurs ยดevolutions sont di๏ฌยดerentes. La masse de portlandite introduite rapportยดee au volume de la cellule permet que toute la rยดeaction se dยดeroule dans le domaine vapeur. En revanche, pour P3, la masse de portandite introduite dans la cellule a etยด choisie de faยธcon a` ce que lโeau produite lors de la carbonatation enrichisse su๏ฌsamment le mยดelange et fasse apparaหฤฑtre une phase liquide.
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Table des matiรจres
1 Introductionย
1.1 Le stockage gยดeologique de CO2
1.2 Comprendre la rยดeactivitยดe du CO2
1.3 Expยดeriences prยดeliminaires
1.4 Objectifs de lโยดetude
2 Approche expยดerimentaleย
2.1 Introduction
2.2 Principe de lโexpยดerience
2.3 Conditions expยดerimentales
2.4 Prยดesentation du dispositif expยดerimental
2.5 Prยดesentation du protocole expยดerimental
2.6 Observation de la fraction solide au MEB
2.7 Mesure de la surface spยดecifique par BET
2.8 Analyse du fluide rยดeactionnel
2.9 Analyses quantitatives DRX
3 Modยดelisation thermodynamiqueย
3.1 Diagrammes de phases
3.2 Calcul de lโยดequilibre
3.3 Choix dโune ยดequation dโยดetat
3.4 Validation du mod`ele
3.5 Application
4 Rยดesultats expยดerimentauxย
4.1 Prยดesentation des mesures
4.2 Etat de phase de lโeau : un param`etre clef ยด
4.3 Cinยดetiques de carbonatation
4.4 Conclusions
5 Modยดelisationย
5.1 Equilibre chimique ยด
5.2 Cinยดetique chimique
5.3 Modยดelisation des expยดeriences
6 Conclusions gยดenยดeralesย
6.1 Rยดeactivitยดe de la portlandite
6.2 Perspectives
Bibliographieย
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