Modélisation du comportement des sédiments riches en hydrates de gaz

par Axelle Alavoine

Projet de thèse en Géotechnique

Sous la direction de Jean-Michel Pereira.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Géotechnique (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    L'hydrate de gaz, un solide cristallin composé de gaz naturel (typiquement, du méthane) et de molécules d'eau liées par liaison hydrogène, est formé à pression élevée et basse température. De telles conditions sont réunies le long des marges continentales et dans les régions de pergélisol. La dissociation d'hydrates peut déstabiliser les horizons sédimentaires riches en hydrates et provoquer la rupture du sol et des glissements de terrains massifs. Cette dissociation peut être induite par des changements environnementaux (conditions de température et de pression) ou provoquée par l'Homme afin de produire le gaz piégé. En raison de l'importance stratégique de cette ressource énergétique potentielle pour de nombreux pays et du risque d'instabilité de ces hydrates, des travaux de recherche de plus en plus nombreux ont été menés afin de mieux comprendre le comportement des sédiments riches en hydrates de gaz sous sollicitations thermo-mécaniques. Les hydrates de gaz peuvent cimenter les sédiments lorsqu'ils sont présents en concentration suffisante, ce qui induit une augmentation de la résistance mécanique et de la rigidité du sédiment avec la teneur en hydrates. En outre, la distribution spatiale des hydrates à l'échelle des pores joue un rôle essentiel sur les propriétés hydromécaniques du sédiment à l'échelle macroscopique. A l'inverse, lorsque les hydrates se dissocient, les propriétés mécaniques du sédiment se dégradent, et peuvent conduire à des instabilités structurelles, telles que des glissements de terrain. Afin de prédire le comportement à l'échelle de la structure (pente sous-marine et/ou réservoir d'hydrates), il est essentiel de développer un modèle numérique incluant la formation et/ou la dissociation de l'hydrate, les propriétés thermiques du réservoir, les propriétés hydro-mécaniques du réservoir, etc. Un modèle de comportement permettant de décrire la relation contrainte-déformation des sédiments riches en hydrates doit donc être développé. Le travail de thèse s'attachera dans un premier temps au développement d'un modèle de comportement élasto-plastique à l'échelle du volume élémentaire représentatif. Ce modèle se nourrira d'essais de laboratoire et de simulations (notamment à l'aide de la méthode des éléments discrets) à l'échelle du grain ou d'une assemblée de grains. Ce modèle sera validé sur la base d'essais de laboratoire à l'échelle d'une éprouvette de sédiments de taille pluri-centimétrique. Par la suite, ce modèle sera implanté dans un code de calcul aux éléments finis résolvant l'ensemble des équations du problème (équilibre mécanique et bilans de masses des différentes phases en présence) de façon couplée. L'outil numérique ainsi obtenu sera utilisé pour simuler des cas concrets de production de gaz ou d'étude de stabilité de pentes sous-marines.

  • Titre traduit

    Modelling the behavior of methane hydrate-bearing soils


  • Résumé

    Gas hydrate is a crystalline solid consisting of natural gas (typically methane) and water molecules linked by hydrogen bonding. It is formed under high pressure and low temperature conditions. Such conditions exist along continental margins and in permafrost regions. The dissociation of hydrates could disrupt the deep water sediments, cause a soil failure and important landslides. This dissociation can be induced by environmental changes (temperature and pressure conditions) or caused by mankind to exploit the gas. Because of the strategic importance of this potential energy resource for many countries and the risk of instability of these hydrates, research has increased to understand the methane hydrate-bearing soils' behavior under thermo- mechanical stresses. When a sufficient amount of Gas hydrates is present, it can cement sediment, which induces an increase in the mechanical strength and the rigidity of the soil. Moreover, the spatial distribution of hydrates in pores plays an essential role on the hydromechanical properties of the sediments at the macroscopic scale. On the contrary, when hydrates dissociate, the mechanical properties of the sediments are deteriorated, and may lead to structural instability, such as landslides. To predict the behavior of the soil at a structural scale (underwater slope and/or hydrate deposit), it is essential to develop a numerical model including the hydrate formation and/or dissociation, the thermal properties of the reservoir, the hydro-mechanical properties of the reservoir, etc. A constitutive model describing the stress-strain relationship of methane hydrate-bearing soils must be developed. The thesis work will first focus on developing an elastic-plastic behavior model for a representative elementary volume (REV). This model will be based on laboratory tests and simulations (using the discrete element method) at the grain scale. This model will then be confirmed on the basis of laboratory tests on a bigger scale (centimetric sample size). Subsequently, this model will be implemented in a finite element code solving the set of coupled equations of the problem (mechanical equilibrium and mass-balance of the different phases). The resulting numerical tool will be used to simulate real cases of gas exploitation or to study the stability of submarine slope.