Propriétés physiques et mécaniques de l’hydrate de méthane à l’échelle du pore

par Dyhia Atig

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Daniel Broseta et de Ross Brown.


  • Résumé

    Les hydrates de gaz sont des composés cristallins stables à haute pression et à basse température, très répandus sur terre, notamment dans les fonds marins au niveau des marges continentales, où ils contribuent à la stabilité des sédiments par leur cohésion et leur adhésion aux surfaces minérales. Cependant, le comportement mécanique des hydrates en soi a été peu ou pas étudié à l’échelle du pore. L’objectif de cette thèse est d’étudier les conditions de stabilité et les propriétés mécaniques en traction de l’hydrate de méthane à l’échelle du pore, dans une configuration comparable à celle qu’on peut trouver dans les milieux poreux sédimentaires.Ici, nous étudions d’abord par microscopie optique les conditions de formation, de croissance et de dissociation de l’hydrate de méthane à l’interface eau/CH4 dans un micro-capillaire en verre utilisé à la fois comme un pore modèle et comme une cellule optique résistante à haute pression et à basse température. Ensuite, en développant une méthode originale in situ et sans contact : "dépression thermo-induite" on détermine les propriétés mécaniques en traction d’une coquille polycristalline d’hydrate de méthane. L’hydrate est nucléé à basse température sur l’interface eau/CH4, qui est rapidement recouverte d’une "croûte" polycristalline d’hydrate. À partir de cette croûte, l’hydrate pousse de part et d’autre de l’interface : dans l’eau sous forme "d’aiguilles" cristallines, dans le gaz, sous forme de "filaments" cristallins, et enfin entre le substrat et le gaz sous forme d’un "halo". Le halo qui est un film polycristallin avançant sur le substrat, en chevauchant un film d’eau, ralentit et finit par s’immobiliser et s’accrocher au substrat. À partir de ce moment, "la coquille" polycristalline, constituée de la croûte et du halo, forme une barrière entre l’eau et le gaz. Les tests de traction sont effectués par génération d’une dépression dans le compartiment eau en augmentant la température à pression de méthane constante.Les propriétés élastiques en traction de la coquille (module élastique et contrainte de rupture) sont déterminées en fonction de la taille des grains, contrôlée ici par les deux paramètres : le sous-refroidissement par rapport à la température d’équilibre, et le temps de mûrissement. On trouve un comportement élastoplastique à caractères ductile et fragile mélangés. Nos données de contrainte de rupture s’insèrent dans un écart de cinq ordres de grandeurs de taille de grain, et de trois ordres de grandeurs de la contrainte de rupture (entre des données de simulation à l’échelle nanomètrique et des données expérimentales à l’échelle millimétrique). L’effet de taille de grain sur la contrainte de rupture de l’hydrate de méthane peut être un facteur contribuant à la déstabilisation des pentes continentales.

  • Titre traduit

    Physical and mechanical properties of methane hydrate at pore scale


  • Résumé

    Gas hydrates are ice-like crystals stable at high pressure and low temperature. They are ubiquitous on earth, notably at the edges of continental shelves, where they contribute to the mechanical stability of marine sediments, by hydrate cohesion and hydrate adhesion to mineral particles. However, the mechanical behavior of gas hydrates at pore scale has been hardly or not at all studied. The purpose of this thesis is to study the stability conditions and the tensile mechanical properties of methane hydrate at pore scale in a representative pore habit of gas hydrate in a sedimentary medium.Here, using optical microscopy, first the formation, growth and dissociation conditions of methane hydrate are investigated across a water/CH4 interface in glass micro-capillaries used both as a pore model and as an optical cell resisting high pressure and low temperature. Then by developing a contactless and an in situ method, "thermally induced depressing", tensile mechanical properties of polycrystalline methane hydrate shell are determined. At low enough temperature, the hydrate nucleates as a polycrystalline "crust" over the water/CH4 interface. From this crust, the hydrate continues growing on both sides of the interface: in the water as "needle like crystals", in the gas as "hair like crystals", and finally between the gas and the substrate as a polycrystalline film, the "halo". The halo advances slowly on the substrate, riding over a water film, and comes to rest and adheres to the substrate. From then on, the "shell" (crust and halo) isolates the water from the gas. Tensile tests are carried out by generating a depression in the water compartment by increasing temperature at constant methane pressure.Tensile elastic properties of the shell (elastic modulus and the tensile strength) are determined as a function of the grain size, controlled here by two parameters, supercooling compared to the equilibrium temperature and the annealing time. We find elastoplastic behavior, with mixed ductile and brittle characteristics. Our data on tensile strength contribute to fit the gap of five orders of magnitude of grain size, and three orders of magnitude of tensile strength (between molecular simulations at nanometre scale and current experiment at millimetre to centimetre scale). The effect of grain size on the tensile strength of methane hydrate could be a factor contributing to the destabilization of continental slopes.



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