PROCESSUS THERMOPHYSIQUES ET MÉCANISMES DE TRANSPORT RÉACTIF INDUITS PAR L'INJECTION DE CO2 DANS LES AQUIFÈRES SALINS PROFONDS

THERMOPHYSICAL PROCESSES AND REACTIVE TRANSPORT MECHANISMS INDUCED BY CO2 INJECTION IN DEEP SALINE AQUIFERS

• Auteur / Autrice : Ange Ndjaka
• Direction : Henri Bataller, Mohamed Azaroual
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Fluides
• Date : Soutenance le 16/02/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABORATOIRE DES FLUIDES COMPLEXES ET LEURS RESERVOIRS (LFCR) - Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs - France. Bureau de recherches géologiques et minières (1959-....)
• Jury : Président / Présidente : Mounir Bou-Ali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrizio Croccolo, Valentina Shevtsova, Arnault Lassin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Marre, Philippe Gouze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Captage et stockage géologique du dioxyde de carbone

Mots clés libres

Injectivité du CO2

Stockage géologique du CO2

Aquifères salins profonds

Transport réactif diffusif

Shadowgraphy

Simulations numériques avec PhreeqC

CO2 Injectivity

CO2 geological storage

Deep saline aquifers

Reactive diffusive transport

Shadowgraphy

PhreeqC numerical simulations

Résumé

Le stockage du CO2 dans les aquifères salins profonds a été reconnu comme l'une des voies les plus prometteuses pour atténuer les émissions atmosphériques de CO2 et répondre ainsi aux enjeux du changement climatique. Cependant, l’injection du CO2 dans le milieu poreux perturbe considérablement son équilibre thermodynamique. La zone proche du puits d’injection est particulièrement impactée avec une forte réactivité géochimique associée à d’intenses échanges thermiques. Cela a un impact majeur sur l’injectivité du réservoir et l’intégrité du stockage. A ces effets s’ajoute une complexité supplémentaire liée à la présence de deux phases non miscibles : la saumure et le CO2. Ces effets conduisent à des processus Thermo-Hydro-Mécaniques-Chimiques (THMC) fortement couplés, dont les interprétations ne sont pas encore abouties ni formellement implémentées dans les modèles numériques.Ce travail de thèse, associant des mesures expérimentales et des modélisations numériques, porte sur l’étude du couplage entre les gradients thermiques et les processus diffusifs de transport réactif se déroulant dans les aquifères salins, notamment dans la zone proche du puits d’injection. Nous avons étudié les échanges entre une phase froide CO2 anhydre qui s’écoule dans des zones de forte perméabilité, et une phase aqueuse salée chaude piégée dans la porosité de la roche. La stratégie de l'étude commence par une approche simple en milieu libre sans flux de CO2 afin d'étudier la réactivité des solutions salines de différentes compositions chimiques et d’évaluer l'impact d'un gradient thermique sur ce réseau réactionnel.Nous avons développé une cellule expérimentale permettant de superposer 2 à 3 couches de solution de concentration et composition chimique différentes. L’analyse de la lumière diffusée par les fluctuations de non-équilibre de la concentration et de la température permet de remonter aux coefficients de diffusion des sels dans l’eau. Nos résultats sont en bon accord avec les valeurs de la littérature. Pour ce qui est de l’étude du transport réactif diffusif, l’analyse du contraste des images a permis de mettre en évidence le fait que la précipitation de minéral, par mise en contact de deux couches aqueuses de sels réactifs, s’accompagne d’une instabilité convective qui s’estompe dans le temps. La modélisation numérique des résultats expérimentaux avec PHREEQC par une approche de diffusion multi-espèce hétérogène permet de rendre compte des instabilités convectives. Différents gradients de température ont été appliqués au système réactif, tout en conservant une température moyenne de 25 °C. Les observations expérimentales et les interprétations numériques montrent que le gradient de température n'a pas d’influence significative sur le comportement du système.Ensuite, nous avons étudié numériquement le processus de dessiccation (évaporation de l’eau) à l’interface entre une saumure piégée dans la porosité de la roche et du CO2 circulant dans une structure porale drainante, simulant les conditions de l’aquifère du Dogger du bassin parisien. Un modèle couplant l’évaporation de l’eau dans le flux de CO2 et la diffusion multi-espèces hétérogène des sels prévoit l’apparition d’un assemblage minéral au niveau du front d’évaporation, principalement composé d’halite et d’anhydrite. La modélisation de ce phénomène à l’échelle du réservoir nécessite la prise en compte de la vitesse d’évaporation en fonction du taux d’injection du CO2 et de l’évolution de la porosité au niveau de l’interface.Ce travail de thèse a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes physico-chimiques, thermo-physiques et de transport diffusif aux interfaces de phase. Ce qui ouvre de nouvelles perspectives d’amélioration des approches numériques et de modélisation à grande échelle notamment du proche puits d’injection du CO2 et des réservoirs de stockage géologique et soutenir les futurs développements industriels et technologiques pour la transition écologique.

CO2 storage in deep saline aquifers has been recognised as one of the most promising ways to mitigate atmospheric CO2 emissions and thus respond to the challenges of climate change. However, the injection of CO2 into the porous medium considerabely disturbs its thermodynamic equilibrium. The near-well injection zone is particularly impacted with a strong geochemical reactivity associated with intense heat exchanges. This has a major impact on injectivity of the reservoir and the integrity of the storage. In addition to these effects, there is the added complexity of the presence of two immiscible phases: brine (wetting fluid) and CO2 (non-wetting fluid). These effects lead to highly coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical (THMC) processes, whose interpretations have not yet been completed nor formally implemented into the numerical models.This thesis work, combining experimental measurements and numerical modelling, focuses on the study of the coupling between the thermal gradients and the diffusive reactive transport processes taking place in the deep saline aquifers, particularly in the near-well injection zone. We studied the exchanges between a cold anhydrous CO2 phase flowing in high permeability zones, and a hot salty aqueous phase trapped in the porosity of the rock. The strategy of the study starts with a simple approach in a free medium without CO2 flow, in order to study the reactivity of saline solutions of different chemical compositions, and to evaluate the impact of a thermal gradient on this reaction network.We have developed an experimental cell that allow to superimpose 2 to 3 layers of solution of different concentration and chemical composition. The analysis of the light scattered by the non-equilibrium fluctuations of concentration and temperature allows to obtain the diffusion coefficients of salts in water. Our results are in good agreement with literature values. Regarding the study of diffusive reactive transport, the analysis of the contrast of the images allowed us to highlight the fact that the precipitation of minerals, obtained by superimposing two aqueous layers of reactive, is accompanied by a convective instability that fades with time. Numerical modelling of the experimental results with PHREEQC using a heterogeneous multicomponent diffusion approach has allowed us to account for these convective instabilities. Different temperature gradients were applied to the reactive system, while keeping a mean temperature of 25 °C. The experimental observations and numerical interpretations swhow that the temperature gradient has no significant influence on the behaviour of the system. Subsequently, we numerically studied the desiccation process (evaporation of water) at the interface between a brine trapped in the rock porosity and the CO2 flowing in a draining pore structure, simulating the conditions of the Dogger aquifer of the Paris basin. A model coupling the evaporation of water in the CO2 stream and the heterogeneous multicomponent diffusion of salts predicts the appearance of a mineral assemblage at the evaporation front, mainly composed by halite and anhydrite. Modelling this phenomenon at the reservoir scale would requires taking into account the evaporation rate as a function of the CO2 injection rate and the change in porosity at the interface.This thesis work has made it possible to highlight several physicochemical, thermophysical and diffusive transport phenomena at phase interfaces. This opens up new perspectives for improving numerical approaches and large-scale modelling, in particular of near-well injection of CO2 and geological storage reservoirs, and supports future industrial developments and technologies for the ecological transition.