Academic literature on the topic 'Migration de gaz en milieu poreux'

Des expérimentations menées sur des modèles-colonnes de milieu poreux, se localisant sur des études de lessivage du corps d'imprégnation formé par des mélanges d'hydrocarbures et sur des essais de propagation de leurs parties solubles, ont été réalisées au laboratoire. Il est montré que le comportement des hydrocarbures en solution pendant le lessivage est fonction de la nature de la source de pollution, et que le transport des traces solubles d'alcanes est fortement freiné par les effets de l'échange liquide-gaz masquant les propriétés adsorbantes de la matrice solide, ou pouvant entraîner une modification du processus de sorption des hydrocarbures par la phase solide. La solubilité n'est pas un critère suffisant pour expliquer la dissolution sélective et progressive des constituants d'un corps d'imprégnation formé par un mélange de plusieurs espèces d'hydrocarbures, et lors du transport des parties solubles d'une telle source de contamination, l'influence des paramètres solubilité, constante de Henry et coefficient de distribution doivent être pris en compte simultanément pour étudier leur rétention sélective.

Groundwater quality management requires a good understanding of the contaminant migration phenomena within the porous media. A horizontal experimental tank (gross area of 63 m2) was built at Ecole Polytechnique de Montréal. An automatic data acquisition system, developed around a Timex-Sinclair ZX81 microcomputer, monitors, through 30 probes located in observation wells, the migration of a saline tracer. The dispersive properties of a limestone aggregate are derived from the spatial and temporal distribution of the tracer concentration. Key words: groundwater, quality, dispersion coefficient, automatic data acquisition, experimental tank, laboratory model, microcomputer.

Cet article est une contribution modeste à l’analyse des phénomènes complexes de transferts couplés de chaleur et de masse se produisant entre un gaz en mouvement et un solide humide. Il s’intéresse au séchage d’un fruit (les figues) déposé en lit profond et exposé à une convection forcée d’air. Le milieu se comporte comme étant poreux et ce sont, par conséquent, les équations de transferts dans un milieu poreux qui décrivent le transfert couplé de chaleur et de masse. L’étude est développée à l’échelle macroscopique avec un empilement de sphères du fruit. Le modèle utilisé est un modèle de séchage E.D.P (Equations aux Dérivées Partielles) basé sur les équations des bilans massique et énergétique et notamment sur l’utilisation des corrélations proposées pour la constante de séchage K avec l’hypothèse du Non Equilibre Thermique Local (N.L.T.E), mais aussi du modèle de Henderson et Pabis pour exprimer la cinétique de séchage. L’analyse théorique du séchage du lit statique mène à un ensemble d’équations aux dérivées partielles qui sont discrétisées par la méthode des différences finies. Pour la résolution de ce système d’équations, la méthode itérative de Gauss Seidel est utilisée et un code de calcul en Fortran est ensuite développé. Les résultats obtenus montrent l’absence de la phase constante de séchage et permettent de mettre en évidence les variations des paramètres de l’air d’une part et celles du produit séché d’autre part, au cours du séchage. Ils montrent aussi, que la vitesse de l’air n’est pas constante pendant le séchage d’où l’importance de la prise en considération du phénomène de rétrécissement et, d’autre part, ils montrent par la variation de la température de l’air, que l’énergie mise en jeu servant pour le transfert massique sert également pour le transfert thermique.

Le stockage géologique profond constitue la solution internationale la plus prometteuse pour la gestion des déchets les plus radioactifs et à durée de vie longue sur de très longues échelles de temps. En France, le projet Cigéo vise à stocker les déchets dits de haute activité (HA), principalement issus des combustibles usés des centrales nucléaires après retraitement et les déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL), qui correspondent aux structures métalliques qui entourent le combustible ou aux résidus liés au fonctionnement et à la maintenance des installations nucléaires. La sûreté du stockage est assurée par un système multi-barrières composé de barrières ouvragées et une roche hôte. Grâce à sa très faible conductivité hydraulique, sa faible diffusion moléculaire et sa capacité significative de rétention des radionucléides, l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) est considérée comme la formation géologique potentielle pour la réalisation du projet. Or, après la fermeture et le scellement de l'installation souterraine, une quantité significative de gaz (principalement de l’hydrogène) peut être générée en raison de plusieurs processus tels que la corrosion anaérobie des métaux, la radiolyse de l'eau et les réactions microbiennes. Si le transitoire hydraulique-gaz des installations souterraines a été très étudié au cours des deux dernières décennies, la représentation de certains processus fortement couplés tels que les écoulements diphasiques multi-composants dans des matériaux poreux très faiblement perméables, à des différentes échelles spatiales et l'hydro-mécanique restent potentiellement complexe. La présente étude a été réalisée à l’Unité d’expertise et de modélisation des installations de stockage, à l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire. L'objectif était d'améliorer la robustesse des modélisations du comportement hydrodynamique des phases liquide-gaz et traiter la problématique des impacts mécaniques des déformations de la roche et des scellements sur le transport de gaz et vice versa. Seules des simulations numériques sont capables de rendre compte de l’ensemble des phénomènes sur les échelles d’espace et de temps à considérer. Pour cela, deux approches ont été suivies. Une étude analytique de l'écoulement monophasique gaz a été effectuée afin d'évaluer la sensibilité des phénomènes d'écoulement du gaz aux divers paramètres physiques, y compris la compressibilité et l'effet Klinkenberg. Parallèlement, des simulations numériques ont été réalisées sur un modèle d'alvéole de déchets HA. Elles ont permis de mettre en évidence l'évolution de la pression du gaz et la désaturation de la roche hôte et des scellements. Ces simulations prennent en compte la présence de l'air dans la phase gaz, afin d’appréhender le poids d'une atmosphère explosive en lien avec l'inflammabilité de l'hydrogène dans l'air. Ces études étaient aussi le terrain pour introduire des améliorations dans le code TOUGH2 et de développer des outils de pre- et de post- processing qui facilitent l'utilisation de ce code et l'analyse des résultats. Concernant le couplage hydromécanique, une revue bibliographique approfondie est réalisée, et a permis d'isoler les problèmes soulevés par le couplage poro-élastique en présence de gaz. Un modèle d'élasticité linéaire avec un couplage HM basé sur la théorie de Biot est ensuite étudié et implémenté dans le logiciel COMSOL Multiphysics en utilisant la méthode des éléments finis. Des simulations numériques de tests hydro-mécaniques drainés ou non-drainés ont été réalisés. Le couplage a permis de capturer l'interaction entre la variation de pression du fluide et les contraintes et déformations dans la roche poreuse. Un des résultats est la mise en évidence de la production fluide
As a safe long-term management of nuclear waste, deep geological disposal was proposed and is the widely accepted approach to deal with high-level radioactive waste. It is currently being under study in several countries. The long-term safety in a deep geological repository (DGR) is ensured through a multi-barrier system provided by engineered barrier and natural barrier systems. In most multi-barrier system concepts in crystalline and clay rock, argillaceous materials (clay rock or bentonite) are envisaged to use for barrier elements. Due to its very low hydraulic conductivity, low molecular diffusion and significant radionuclide retention capacity, COx claystone is considered as a potential geological host formation for an industrial radioactive waste repository in France. The performance of the host rock and engineered barriers in the construction phase and in a long-term perspective (thousands to million of years) is of primary importance for predicting the risk of dissemination of radioactivity. After the deep geological repository is closed and sealed, significant gas quantity can be generated due to several processes such as the anaerobic metal corrosion, water radiolysis and microbial reactions. Predicting gas flow in low-permeable, saturated materials is a challenging but important task in the risk assessment of a deep geological repository. Pressure build-up and gas migration in host rock and engineered barriers constitute a highly coupled hydro-mechanical (HM) process, and may contribute to the development of preferential gas pathways either by gas-induced micro-fracturing or macro-fracturing. In current numerical studies some behaviors still cannot be well represented, in particular, it is challenging to explain the gas migration behavior in the gas injection tests conducted on the clayey rock and barriers materials. Therefore, to better represent the actual physical process of gas flow, several modeling frameworks are proposed in the present thesis: single-phase gas flow (H2), two-phase water-gas multi-component flow (air, H2), and hydro-mechanical coupling (poro-elasticity). Two-phase gas-water flow in the waste cell model at different scales (a single waste cell contains several High Level Waste containers) is used here to quantitatively study transient hydraulic water-gas phenomena, such as gas pressure evolution and clayey rock desaturation. A wide range of scenarios and hypotheses is tested to assess significant differences between different scenarios in controlling gas migration and the transition from single phase water saturated conditions to two-phase and single phase gas. Although efficient in studying gas migration in presence of hydrogen only, the proposed models has presented a major limitation because of the difficulty in assessing gas phase evolution in presence of air. Multiphase flow of water with a gas phase (hydrogen and air) together with consideration of dissolved hydrogen, air and water vapor diffusion, is studied using equation of state EOS7R (water, brine, RN1, RN2, air) of the TOUGH2 family of codes. We have implemented code enhancements and post-processing scripts, which enhanced our capabilities in analyzing and interpreting results. A separate study of single phase gas flow was developed in order to assess analytically the sensitivity of gas flow phenomena to various rock parameters, including for instance the Klinkenberg effect due to gas slippage at low pressure in tight pores. Concerning the hydromechanical coupling, an extensive review was developed, including poroelastic coupling in the presence of gas. A linear poroelastic model based on Biot theory is studied and implemented in the Finite Elements software COMSOL Multiphysics. The coupling allows us to capture the interaction between fluid pressure variation and the stresses and strains in the porous rock (drained and undrained tests)

Dans une installation de stockage géologique de déchets radioactifs, la corrosion des matériaux ferreux dans des conditions anoxiques, associée à la désintégration radioactive des déchets et à la radiolyse de l'eau, entraînera la formation d'hydrogène. Une bonne compréhension du comportement de migration de ce gaz est d'une importance fondamentale pour la fiabilité des scénarios de prédiction d'évolution à long terme d'un tel stockage. Si le taux de production de gaz dépasse le taux de diffusion du gaz dans les pores de la roche hôte, une phase gazeuse distincte se formera. Les forces de capillarité s'opposant au mouvement du gaz entraîneront une augmentation de la pression jusqu'à une valeur critique au-delà de laquelle il pourra pénétrer dans le matériau environnant et se déplacer par des processus advectifs. Différents mécanismes propres aux roches argileuses et à leur caractère nanoporeux pourraient toutefois influencer ces écoulements visco-capillaires. Tout d'abord, des mécanismes de transfert de masse se mettent en place aux interfaces eau/gaz conduisant à une évaporation (voire une recondensation capillaire sous certaines conditions) et favorisant l'apparition de chemins d'écoulement préférentiels, accentué par l'effet Kelvin dans les nanopores. Compte tenu des fortes pressions générées, la percolation du gaz génère aussi une dilatation des chemins percolants, pouvant conduire à un déplacement localisée de l'eau loin de ces chemins, sous l'effet de la compression de la matrice argileuse. Ces phénomènes d'ouverture des chemins percolants (micro fissuration) entraînent à leur tour un endommagement et une dégradation des propriétés mécaniques de la roche. Si la pression continue d'augmenter, des fractures en tension se développent de manière similaire à celles observées en fracturation hydraulique. En parallèle, dans les milieux argileux comme l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) l'eau porale contient des ions dissous et forme donc un électrolyte. Du fait des charges électriques présentes dans les feuillets d'argiles la densité de concentration des ions près des interfaces solide/liquide devient inhomogène et l'électrolyte n'est plus électriquement neutre (double couche électrique). Les écoulements sont dans ce cas plus complexes puisque des couplages apparaissent entre la dynamique du solvant et celle des ions. En effet, lorsque le fluide est soumis à un champ électrique, bien que le solvant soit neutre, on observe l'apparition d'un flux hydraulique. Ce mécanisme appelé électro-osmose est particulièrement important dans le cadre du stockage de déchets radioactifs à cause de l'introduction des radionucléides ioniques dans la couche géologique qui viendraient s'ajouter aux ions naturellement dissous dans l'eau porale. Dans le cadre de cette thèse, nous avons ainsi développé différents modèles mésoscopiques capables de prendre en compte ces couplages, qu'ils soient HydroChimiques (évaporation) HydroMécaniques (HM) ou ElectroCinétiques (EC) lors de la simulation de l'écoulement et du transport afin d'étudier l'impact de ces couplages sur la migration du gaz. Deux méthodes numériques ont ainsi été utilisées pour développer ces modèles : une approche SPH pour la caractérisation des processus d'évaporation et d'endommagement mécanique et une approche LBM pour l'étude des mécanismes d'électro-osmose
In a geological repository for radioactive waste, the corrosion of ferrous materials under anoxic conditions, coupled with the radioactive decay of the waste and radiolysis of water, will lead to the formation of hydrogen. A thorough understanding of the migration behavior of this gas is crucial for the reliability of long-term evolution prediction scenarios for such storage facilities. If the gas production rate exceeds the gas diffusion rate in the pores of the host rock, a distinct gas phase will form. Capillary forces opposing gas movement will lead to an increase in pressure until a critical value is reached, beyond which it may penetrate the surrounding material and move via advective processes. Various mechanisms specific to clay rocks and their nanoporous nature could, however, influence these visco-capillary flows. Firstly, mass transfer mechanisms are established at the water/gas interfaces leading to evaporation (or capillary recondensation under certain conditions) and promoting the formation of preferential flow paths, accentuated by the Kelvin effect in nanopores. Given the high pressures generated, gas percolation also results in dilation of the percolating pathways, potentially leading to localized displacement of water away from these pathways due to compression of the clay matrix. These phenomena of opening percolating pathways (micro-cracking) in turn cause damage and degradation of the rock's mechanical properties. If pressure continues to rise, tension fractures develop similarly to those observed in hydraulic fracturing. Concurrently, in clayey environments like the Callovo-Oxfordian (COx) argillite, pore water contains dissolved ions and thus forms an electrolyte. Due to the electric charges present in clay layers, the ion concentration density near solid/liquid interfaces becomes heterogeneous, and the electrolyte is no longer electrically neutral (electrical double layer). Flows in this case are more complex as couplings appear between the solvent's dynamics and that of the ions. Indeed, when the fluid is subjected to an electric field, although the solvent is neutral, hydraulic flow is observed. This mechanism, called electro-osmosis, is particularly important in the context of radioactive waste storage due to the introduction of ionic radionuclides into the geological layer, which would add to the ions naturally dissolved in pore water. In the context of this thesis, we have developed various mesoscopic models capable of accounting for these couplings, whether they are HydroChemical (evaporation), HydroMechanical (HM), or ElectroKinetic (EK) during flow and transport simulation to study the impact of these couplings on gas migration. Two numerical methods have been used to develop these models: an SPH approach for characterizing evaporation and mechanical damage processes and an LBM approach for studying electro-osmosis mechanisms

Lorsque les polluants sont liés à des particules colloïdales mobiles, le modèle classique qui veut qu'ils soient repartis entre une phase fluide mobile et une phase solide immobile n'est plus applicable. Ceci est en particulier vrai pour les polluants insolubles qui sont considérés immobiles par cette première modélisation. Il est donc nécessaire de trouver une modélisation qui tienne compte de ce transfert de polluants favorisé par les particules colloïdales. C'est le propos de cette recherche. Le problème posé consistait à modéliser la dispersion et la rétention éventuelle de particules colloïdales dans un milieu poreux. Ce problème est délicat à résoudre avec les méthodes usuelles d'analyse numérique (couplage d'équations aux différentielles partielles). Ceci nous a incite à préférer à cette approche celle du milieu discret équivalent des micromodèles. En conférant aux particules le plus de comportements physiques possible à l'échelle du lien, nous avons tenté de retrouver le comportement macroscopique décrit par ces équations. Nous présentons les modèles et validons la modélisation intégrant les mécanismes physiques au niveau du pore et, grâce a la transformation de Laplace, la diffusion moléculaire.

Lorsque les polluants sont liés à des particules colloïdales mobiles, le modèle classique qui veut qu'ils soient répartis entre une phase fluide mobile et une phase solide immobile n'est plus applicable. Ceci est en particulier vrai pour les polluants insolubles qui sont considérés immobiles par cette première modélisation. Il est donc nécessaire de trouver une modélisation qui tienne compte de ce transfert de polluants favorisé par les particules colloïdales. C'est le propos de cette recherche. Le problème posé consistait à modéliser la dispersion et la rétention éventuelle de particules colloïdales dans un milieu poreux. Ce problème est délicat à résoudre avec les méthodes usuelles d'analyse numérique (couplage d'équations aux différentielles partielles). Ceci nous a incité à préférer à cette approche celle du milieu discret équivalent des micromodèles. En conférant aux particules le plus de comportements physiques possible à l'échelle du lien, nous avons tenté de retrouver le comportement macroscopique décrit par ces équations

Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017)
This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed

Le mécanisme physique de production de réservoirs d'huiles par déplétion est l'expansion de gaz dissout. Pour les huiles lourdes, les simulateurs réservoir commerciaux parviennent à reproduire les historiques de production mais ne sont pas fiables en ce qui concerne les prédictions. Une nouvelle approche à l'échelle de Darcy, modélisant les étapes fondamentales du processus de déplétion (nucléation et croissance de bulles, écoulement des phases. . . ) est présentée. Le modèle développé laisse apparaître numériquement des fronts de nucléation qui se propagent dans la carotte de manière analogue aux ondes de choc. Par ailleurs, une théorie asymptotique aboutissant à deux autres modèles mathématiques a été développée. Cette théorie a également permis d'identifier des nombres sans dimensions caractéristiques des huiles lourdes. Enfin, un modèle physique de mobilité du gaz, basé sur une théorie de la percolation est présenté. Ce modèle ouvre la voie à la prédictibilité des modèles de déplétion d'huiles lourdes.

Abstract Bedding-parallel fractures are common to see in "productive sweet spot" of Wufeng-Longmaxi gas-shale, Sichuan basin. They are commonly showing slickensides on core and own rough fracture surface. Therefore, they can serve as flow channels and storage spaces in gas shale. However, their size and spatial distribution in subsurface were rarely investigated, and little was known about their permeability behavior responding to the reservoir buried depth. And the relationship between the fracture intensity and reservoir porosity is also rarely reported. Knowing these relationships will help to understanding the influence of subsurface bedding-parallel fractures in shale gas enrichment. 30 wells of Wufeng-Longmaxi gas-shale were studied, they are spanning in 100km west-east across the southern Sichuan basin and have buried depths ranging from 1000m to 3000m. Core validated borehole image logs are used to characterize the spatial distribution of the bedding-parallel fractures in subsurface. Stress-dependent permeability experiments are designed to investigate the fracture permeability responding to the change of confining stress. The effect of the fractures on reservoir porosity is examined by the NMR T2 relaxation well log and Ar-ion-milled scanning electron microscope (SEM) images. The study reveals that the bedding-parallel fractures are calcite-filled and are much more intense in organic-rich intervals. The aperture size of bedding-parallel fractures ranges from 1cm to 50cm. The permeability experiments suggest that under the same confining pressure, the permeability in samples with the fractures is two to three orders of magnitude larger than in samples without fractures. The fracture permeability decreases exponentially until the confining pressure reached 25MPa. NMR log analysis indicates that for the shale buried shallower than 1000m, the NMR log component with T2 relaxation time greater than 30ms has obvious inverse relationship with the intensity of bedding-parallel fractures, but for the shale buried deeper than 1000m, this relationship is not clear. The scanning electron microscope (SEM) images show the macropore are hardly found nearby the fractures. The results reveal that bedding-parallel fractures are products of shear movement between shale beddings, and they act as a flow channel to enhance lateral migration of gas. The lateral migration is much more active when the effective stress is less than 25MPa which is equivalent to 1000m reservoir buried depth in southern Sichuan basin. Connection of bedding-parallel fractures to faults extending to the surface, common in southern SiChuan basin, boosts the rate of gas emission. Gas emission dropped down the pore pressure and made the shale macropore collapsed, the reservoir porosity was decreased accordingly. The finding suggests that structures with fewer bedding-parallel fractures or reservoir buried depth deeper than 1000m in southern Sichuan basin may be more favorable for preservation of gas in shale.