Etude expérimentale des propriétés mécaniques et de la microstructure des sédiments contenant des hydrates de méthane

Experimental study on the mechanical properties and the microstructure of methane hydrate-bearing sandy sediments

• Auteur / Autrice : Thi Xiu Le
• Direction : Anh-Minh Tang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 06/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / navier umr 8205
• Jury : Président / Présidente : Anthony Delahaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anh-Minh Tang, Gioacchino Viggiani, Nabil Sultan, Michel Bornert, Patrick Aimedieu, Daniel Broseta, Ana Alexandra Dos Santos Nicolau Esteves Cameirão
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gioacchino Viggiani, Nabil Sultan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols sablonneux

Méthane

Hydrates de gaz naturel

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Hydrates de méthane

Sédiments sableux

Formation/Dissociation d'hydrates

Morphologie des hydrates

Distribution des hydrates

Propriétés mécaniques

Gas hydrates

Sandy sediments

Gas hydrate formation/dissociation

Gas hydrate morphology

Gas hydrate distribution

Mechanical properties

Résumé

Les hydrates de méthane (MHs), composés de gaz de méthane et d’eau, se forment naturellement à haute pression et faible température dans les sédiments marins ou pergélisols. Ils sont actuellement considérés comme une ressource énergétique (principalement MHs dans les sédiments sableux) mais aussi une source de géo-hasards et du changement climatique (MHs dans les sédiments grossiers et fins). La connaissance de leurs propriétés mécaniques/physiques, qui changent considérablement avec la morphologie et distribution des hydrates dans les pores, est très importante pour minimiser les impacts environnementaux liés aux futures exploitations du gaz de méthane à partir des sédiments sableux contenant des MHs (MHBS). La plupart des études expérimentales concernent MHBS synthétiques à cause des difficultés pour récupérer des échantillons intacts. Différentes méthodes ont été proposées pour former MHs dans les sédiments au laboratoire pour reconstituer des sédiments naturels, mais sans grand succès. Cette thèse a pour objectif d’évaluer la morphologie, la distribution des MHs dans les MHBS synthétiques à différentes échelles et d’étudier les effets des MHs (leur morphologie et teneur en hydrate) sur les propriétés mécaniques des MHBS. Deux méthodes de formation d’hydrates dans les sédiments sableux ont été proposées. Au niveau macroscopique, la distribution des hydrates au niveau des pores est évaluée en se basant sur la vitesse de propagation d’onde de compression (mesurée et calculée à partir des modèles existants). Des essais triaxiaux ont été utilisés pour étudier l’influence des MHs à différentes teneurs en hydrate sur les propriétés mécaniques des MHBS. Par ailleurs, l’Imagerie par Résonance Magnétique a été utilisée pour étudier la cinétique de formation/dissociation d’hydrates et aussi la distribution des hydrates sur l’ensemble de l’échantillon. Les résultats montrent qu’un cycle de température en conditions non drainées complète la redistribution des hydrates dans les pores après la saturation en eau de l’échantillon à haute teneur en hydrate. La distribution des hydrates sur l’ensemble de l’échantillon devient plus homogène avec la saturation en eau suivie par un cycle de température. En outre, les propriétés mécaniques des sédiments augmentent avec l’augmentation de la teneur en hydrate.A l’échelle du grain, la tomographie aux rayons X (XRCT) et celle au Synchrotron XRCT (SXRCT, Synchrotron SOLEIL) ont été utilisées pour observer la morphologie et la distribution des MHs au niveau des pores des sédiments sableux. Ce travail n’a pas été facile car il nécessitait des dispositifs expérimentaux compliqués (pour maintenir la haute pression et faible température) mais aussi en raison du faible contraste entre MHs et l’eau sur les images de XRCT, SXRCT. Des dispositifs spécifiques ont été développés pour étudier la formation d’hydrates, la morphologie et la distribution à l’échelle du grain des MHs en utilisant XRCT, SXRCT. De plus, une nouvelle méthode a été développée pour déterminer plus précisément les fractions volumiques d’un milieu triphasé à partir des images XRCT. Des observations au Microscope Optique (en coopération avec l’Université de Pau) ont également été faites pour confirmer diverses morphologies de MHs dans les sédiments sableux. Les morphologies et distributions d’hydrates observées sont comparées avec les modèles existants. Les observations montrent que la formation des MHs dans les sédiments sableux est un processus instable et compliqué. Différentes morphologies et distributions au niveau des pores des MHs peuvent coexister. Il parait indispensable de tenir compte des vraies morphologies et distributions au niveau des pores des MHs pour les études numériques utilisant des modèles simplifiés.Mots-clés: hydrate de méthane, sédiments sableux, formation, dissociation, morphologies, distribution, propriétés mécaniques, XRCT, SXRCT, microscope optique, essais triaxiaux, modèle de mécanique des roches

Methane hydrates (MHs), being solid ice-like compounds of methane gas and water, form naturally at high pressure and low temperature in marine or permafrost settings. They are being considered as an alternative energy resource (mainly methane hydrate-bearing sand, MHBS) but also a source of geo-hazards and climate change (MHs in both coarse and fine sediments). Knowledge of physical/mechanical properties of sediments containing MHs, depending considerably on hydrate morphologies and pore-habits, is of the importance to minimize the environmental impacts of future exploitations of methane gas from MHBS. Existing experimental works mainly focus on synthetic samples due to challenges to get cored intact methane hydrate-bearing sediment samples. Various methods have been proposed for MH formation in sandy sediments to mimic natural MHBS, but without much success. The main interests of this thesis are to investigate morphologies and pore-habits of MHs formed in synthetic MHBS at various scales and to study the effects of MHs (MH morphology and MH saturation) on the mechanical properties of MHBS.Two MH formation methods (modified from two methods existing in the literature) have been first proposed to create MHs in sandy sediments at different pore-habits. At the macroscopic scale, MH pore-habits have been predicted via comparisons between sonic wave velocities, measured and that calculated based on rock physic models. The effects of MHs formed following the two proposed methods (at different hydrate saturations) on the mechanical properties of MHBS were investigated by triaxial tests. Furthermore, Magnetic Resonance Imaging (MRI) has been used to investigate the kinetics of MH formation, MH distribution along with sample height and also MH dissociation following the depressurization method which has been considered as the most economical method for MH production from MHBS. A temperature cycle in undrained conditions was supposed to not only complete MH redistribution in pore space after the water saturation of the sample at high hydrate saturation but also make MHs distributed more homogeneously in the sample even at low hydrate saturation. Furthermore, the mechanical properties of sediments (e.g. stiffness, strength) were found higher at higher MH saturation.At the grain scale, the MH morphologies and pore habits in sandy sediments were observed by X-Ray Computed Tomography (XRCT, at Navier laboratory, Ecole des Ponts ParisTech) and Synchrotron XRCT (SXRCT, at Psiche beamline of Synchrotron SOLEIL). It has been really challenging due to not only the need of special experimental setups (needing both high pressure and low temperature controls) but also poor XRCT, SXRCT image contrast between methane hydrate and water. Specific experimental setups and scan conditions were then developed for pore-scale investigations of MH growth and MH morphologies in sandy sediments by using XRCT, SXRCT. Besides, a new method has been developed for accurate determination of volumetric fractions of a three-phase media from XRCT images. Observations (at better spatial and temporal resolution) via Optical Microscopy (in cooperation with the University of Pau) were finally used to confirm diverse MH morphologies in sandy sediments. Comparisons between observed MH morphologies, pore habits, and existing idealized models have been discussed. Methane hydrate formation in sandy sediments was supposed to be an unstable and complex process. Different types of MH morphologies and pore habits could exist in the sample. It seems vital that numerical studies on the mechanical behavior of gas hydrates in sediments, based on four idealized hydrate pore-habits, should take into account realistic hydrate morphologies and pore habits.Keywords:Methane hydrates, sandy sediments, formation, dissociation, morphologies, pore-habits, mechanical properties, XRCT, SXRCT, optical microscopy, triaxial tests, rock physic model