Modelling the behavior of methane hydrate-bearing soils through the homogenisation of the micro-mechanical properties
Modélisation du comportement des sédiments riches en hydrates de gaz via l'homogénéisation des propriétés micro-mécaniques
Résumé
Gas hydrates represent an important potential energy resource, but also a risk of instability for the environment (landslides, global warming) that it is essential to control. The study of gas hydrate bearing soils, most often located on the ocean floor or in permafrost, is therefore a major challenge. The formation and dissociation of hydrates in these soils modifies the microstructure and with it the physical properties of the material. The objective of the thesis was to develop a model that could predict the behaviour of soils containing gas hydrates, initially on the scale of the conventional laboratory sample. Several multi-physical computational models applied to gas hydrate-enriched soils have already been published, but the mechanical part is still relatively underdeveloped due to the lack of experimental data and the relatively late interest shown by the mechanics' community in the subject.Based on this observation, we first focused our analysis on mechanical behaviour. The results of tests on sediments rich in methane hydrates available in the literature have been used as a basis for analyzing the effect of hydrates on the mechanical properties of a soil. In particular, the relationship between the elastic moduli of a soil and the volume fraction of hydrates was determined using an analytical homogenization calculation. However, sediments containing gas hydrate inclusions exhibit macroscopic behaviour that is far from linearly elastic. The latter is strongly related to the different physical and morphological characteristics of both matrix sediments and hydrates formed in the pore space.These observations led to the application of a numerical homogenization method based on Fast Fourier Transforms (FFTs). This method allows for the use of elastoplastic laws and complex geometries to define the microstructure components of the material to be homogenized. The results can therefore be used to determine a non-linear constitutive macroscopic model adapted to the type of sediment/hydrate composite to be simulated.The previous developments were then integrated into a finite element computation code first at the scale of the assumed homogeneous laboratory sample. Hydraulic couplings via pressures and conventional fluid flow models could therefore be integrated, as well as the solubility of methane in the aqueous phase and phase changes through a kinetic law. The thermodynamic aspect was also included. Mechanical behaviour could be defined either by analytical homogenization laws or by multi-scale calculations. The numerical homogenization calculation by FFT is carried out at the microstructure scale at Gauss integration points.These calculations were compared with laboratory test results for volume fractions of constant hydrates or for hydrate dissociation tests in soil samples. Finally, data from an exploration site were obtained from the literature and used to conduct a reservoir-scale calculation.Translated with www.DeepL.com/Translator
Les hydrates de gaz représentent une ressource énergétique potentielle importante, mais aussi un risque d’instabilité pour l’environnement (mouvements de terrain, réchauffement climatique) qu’il est essentiel de maîtriser. L’étude des sols enrichis en hydrates de gaz, le plus souvent localisés au niveau des fonds océaniques ou du pergélisol, représente donc un enjeu majeur. La formation comme la dissociation d’hydrates dans ces sols modifie la microstructure et avec elle les propriétés physiques du matériau. L’objectif de la thèse a donc été de développer un modèle qui puisse permettre de prédire le comportement des sols contenant des hydrates de gaz, dans un premier temps à l’échelle de l’éprouvette de laboratoire classique. Plusieurs modèles de calculs multi-physiques appliqués aux sols enrichis en hydrates de gaz ont déjà été publiés, cependant la partie mécanique reste encore assez peu développée du fait du manque de données expérimentales, et de l’intérêt assez tardif porté par la communauté des mécaniciens au sujet. En partant de ce constat, nous avons d’abord concentré notre analyse sur le comportement mécanique. Les résultats d’essais sur des sédiments riches en hydrates de méthane disponibles dans la littérature ont servi de base à l’analyse de l’effet des hydrates sur les propriétés mécaniques d’un sol. En particulier, la relation entre les modules élastiques d’un sol et la fraction volumique d’hydrates a été déterminée à l’aide d’un calcul d’homogénéisation analytique. Les sédiments contenant des inclusions d’hydrates de gaz présentent toutefois un comportement macroscopique loin d’être élastique linéaire. Ce dernier est fortement lié aux différentes caractéristiques physiques et morphologiques à la fois des sédiments matriciels et des hydrates formés dans l’espace des pores. Ces observations ont donc conduit à l’application d’une méthode d’homogénéisation numérique basée sur les Transformées de Fourier Rapides (TFR). Cette méthode permet l’utilisation de lois élastoplastiques et de géométries complexes pour définir les composants de la microstructure du matériau à homogénéiser. Les résultats qui en découlent peuvent donc servir à déterminer un modèle macroscopique constitutif non-linéaire adapté au type de composite sédiment/hydrates que l’on souhaite simuler. Les précédents développement ont par la suite été intégrés à un code de calcul aux éléments finis d’abord à l’échelle de l’échantillon de laboratoire supposé homogène. Les couplages hydrauliques via les pressions et les modèles classiques d’écoulement de fluides ont donc pu être intégrés, tout comme la solubilité du méthane en phase aqueuse et les changements de phases à travers une loi cinétique. L’aspect thermodynamique a également été inclus. Le comportement mécanique pouvait être défini soit par les lois d’homogénéisation analytiques soit par calculs multi-échelles. Le calcul d’homogénéisation numérique par TFR est mené à l’échelle de la microstructure aux points d’intégrations de Gauss. Ces calculs ont été comparés à des résultats d’essais en laboratoire pour des fractions volumiques d’hydrates constantes ou bien pour des essais de dissociation des hydrates dans les échantillons de sols. Enfin, les données d’un site d’exploration ont été obtenues dans la littérature et exploitées pour mener un calcul à l’échelle du réservoir
Origine : Version validée par le jury (STAR)