Mechanical stability of a salt cavern submitted to rapid pressure variations: Application to the underground storage of natural gas, compressed air and hydrogen - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Mechanical stability of a salt cavern submitted to rapid pressure variations: Application to the underground storage of natural gas, compressed air and hydrogen

Stabilité mécanique d'une cavité saline soumise à des variations rapides de pression : Application au stockage souterrain de gaz naturel, d’air comprimé et d’hydrogène

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Abstract

Salt caverns used for the underground storage of large volumes of natural gas are in high demand given the ever-increasing energy needs. The storage of renewable energy is also envisaged in these salt caverns for example, storage of compressed air and hydrogen mass storage. In both cases, salt caverns are more solicited than before because they are subject to rapid injection and withdrawal rates. These new operating modes raise new mechanical problems, illustrated in particular by sloughing, and falling of overhanging blocks at cavern wall. Indeed, to the purely mechanical stress related to changes in gas pressure variations, repeated dozens of degrees Celsius of temperature variation are superimposed; causes in particular during withdrawal, additional tensile stresses whom may lead to fractures at cavern wall; whose evolution could be dangerous. The mechanical behavior of rock salt is known: it is elasto-viscoplastic, nonlinear and highly thermo sensitive. The existing rock salt constitutive laws and failures and damages criteria have been used to analyze the behavior of caverns under the effects of these new loading. The study deals with the thermo mechanics of rocks and helps to analyze the effects of these new operations modes on the structural stability of salt caverns. The approach was to firstly design and validate a thermodynamic model of the behavior of gas in the cavern. This model was used to analyze blowout in gas salt cavern. Then, with the thermo mechanical coupling, to analyze the effects of rapid withdrawal, rapid injection and daily cycles on the structural stability of caverns. At the experimental level, we sought the optimal conditions to the occurrence and the development of cracks on a pastille and a block of rock salt. The creep behavior of rock salt specimens in triaxial extension also was analyzed.
Les cavités salines servant au stockage souterrain de grandes quantités de gaz naturel sont très sollicitées en raison des besoins énergétiques croissants. Le stockage des énergies renouvelables est aussi envisagé dans ces cavités sous forme d’air comprimé et d’hydrogène. Ces cavités qui sont plus sollicitées qu’auparavant, sont aussi soumises à des opérations d’injection et de soutirage rapides. Ces nouveaux modes d’exploitation soulèvent des problèmes mécaniques, illustrés en particulier par l’écaillage et les chutes de blocs en paroi de cavité. En fait, aux sollicitations purement mécaniques liées aux variations de la pression du gaz, se superposent des variations de température répétées de plusieurs dizaines de degrés Celsius qui occasionnent, notamment à la détente, des contraintes additionnelles de traction susceptibles d’engendrer des fractures à la paroi des cavernes dont l’évolution peut être dangereuse. Les lois de comportement mécanique du sel gemme (élasto-viscoplastique, non linéaire et thermosensible) et les critères de rupture et d’endommagement existants permettent d’analyser le comportement des cavités salines et du sel gemme sous l’effet de chargements nouveaux. Cette étude s’inscrit dans le domaine de la thermomécanique des roches et contribue à l’analyse des effets de nouveaux modes d’exploitation sur la stabilité mécanique des cavités salines. Dans un premier temps, la démarche a consisté à concevoir et à valider sur des cas réels un modèle thermodynamique du comportement du gaz dans la cavité. Ce modèle a permis de d’analyser l’éruption dans des cavités salines de stockage de gaz. Ensuite, le couplage thermomécanique a permis d’analyser les effets d’une détente rapide, d’une injection rapide et de cycles journaliers sur la stabilité des cavernes. Sur le plan expérimental, on a recherché au laboratoire les conditions d’apparition et de développement de fissures sur une pastille et sur un bloc de sel. Le fluage d’éprouvettes de sel gemme en extension a aussi été analysé.
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Cite

Hippolyte Djizanne. Stabilité mécanique d'une cavité saline soumise à des variations rapides de pression : Application au stockage souterrain de gaz naturel, d’air comprimé et d’hydrogène . Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Doctorale Polytechnique, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01130986⟩
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