Modélisation hydro-mécanique multi-échelle de la récupération du gaz de charbon

Multi-scale hydro-mechanical modeling of coalbed methane recovery

• Auteur / Autrice : Ahmad Mostafa
• Direction : Fabrice Golfier, Luc Scholtès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Pironon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Golfier, Luc Scholtès, Matthieu Vandamme, Frédéric Victor Donzé, Laura Blanco Martin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Vandamme, Frédéric Victor Donzé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Fracturation hydraulique

Porosité

Simulation, Méthodes de

Absorption et adsorption

Gaz de charbon

Méthode des éléments discrets

Mots clés libres

DEM

Récupération de méthane

Porosité

DFN

DFN

Methane recovery

Porosity

DEM

Résumé

De nos jours, la demande croissante en énergie, ainsi que les préoccupations grandissantes concernant le réchauffement climatique, ont conduit à la recherche de sources d'énergie alternatives. Bien que considéré comme une ressource énergétique non renouvelable, le gaz de houille ou le méthane de houille (CBM) peut contribuer à cette diversification et jouer un rôle dans le futur mix énergétique. Actuellement, le CBM est une source précieuse d'énergie aux États-Unis, en Chine et en Australie. Les importantes réserves de gaz estimées en Lorraine, dans le nord-est de la France (3,7x10^11 m³ contre 2,3x10^13 m³ pour les ressources totales de CBM aux États-Unis) représentent une cible attrayante et prometteuse pour l'exploitation du CBM, comme le souligne le projet REGALOR. Basée sur la réutilisation des anciennes mines de charbon inondées, la production de méthane est stimulée par la baisse de la pression des pores dans le gisement de charbon lors du pompage de l'eau. Néanmoins, les mécanismes induits par la sorption dans les réservoirs de charbon rendent l'exploitation du CBM légèrement plus complexe que dans les réservoirs d'hydrocarbures conventionnels, d'où la nécessité de meilleurs outils de prédiction capables de décrire tous les processus impliqués. L'objectif de cette thèse de doctorat était de développer un modèle numérique conceptuel couplé hydro-mécaniquement fournissant une description détaillée de la désorption du méthane et de la récupération du gaz dans les couches de charbon. Une partie de la difficulté est liée à la nature multi-échelle hautement complexe du charbon. En effet, le charbon est un système à double porosité caractérisé par un réseau de fractures orthogonales, appelées cleats en anglais, à travers lesquelles l'eau et le gaz peuvent percoler, ainsi que par une matrice microporeuse où le méthane est principalement piégé sous forme de couche adsorbée et où la diffusion prédomine. De plus, la matrice a tendance à se dilater ou à se contracter en raison des processus induits par la sorption, ajoutant ainsi de la complexité aux processus multi-physiques déjà complexes en jeu dans un tel environnement. L'efficacité de la récupération du méthane est donc déterminée par le couplage entre la dynamique de l'écoulement du gaz et les mécanismes de sorption/désorption, ainsi que par les processus de compression/déformation liés aux variations de contrainte effective. Ici, je propose un modèle à l'échelle des pores en 3D couplant une méthode des éléments discrets (DEM) et une méthode de volume à l'échelle des pores (PFV) pour étudier ces processus couplés. Le DEM est utilisé pour représenter la phase solide comme une collection de particules liées, tandis que le PFV est utilisé pour simuler les processus de transport en jeu dans l'espace poreux, c'est-à-dire les diffusions de Knudsen et de surface dans la matrice microporeuse, ainsi que la convection dans les fractures. De plus, nous avons inclus la sorption sur les particules solides. Le maillage PFV est construit sur la base d'une triangulation de Delaunay des centres des particules, avec les fractures identifiés comme des interfaces discrètes. Le modèle est couplé dans le sens où il décrit les déformations induites par les changements de pression des pores qui, à leur tour, ont un impact direct sur les propriétés hydrauliques du système. La déformation induite par la sorption est également prise en compte grâce à la définition d'un terme de pression supplémentaire, appelé pression de solvation, qui est directement lié aux quantités adsorbées. À travers différentes études de cas, j'ai pu valider ce modèle en considérant d'abord la matrice seule (Mostafa et al., Fuel, 2023), et, ensuite, un système fracture-matrice (Mostafa et al., en préparation).

Nowadays, the increasing demand for energy, as well as the growing concerns about global warming, has resulted in a search for alternative energy sources. While considered a non-renewable energy resource, coalbed gas or coalbed methane (CBM) may contribute to this diversification and take part to the future energy mix. Currently, CBM is a valuable source of energy in the USA, China, and Australia. The significant estimated gas reserves in Lorraine, in the northeast of France (3.7x1011 m³ against 2.3x1013 m³ for the total USA CBM resources) represent an attractive and promising target for CBM exploitation, as highlighted by the REGALOR project. Based on the reuse of abandoned flooded coal mines, methane production is driven by the decrease of pore pressure in the coal seam during water pumping. Nevertheless, the sorption-induced mechanisms at stake in coal reservoirs make CBM exploitation slightly more complex than in conventional hydrocarbon reservoirs, hence the need for better prediction tools able to describe all the processes involved. The objective of this Ph.D. thesis was to develop a conceptual and hydro-mechanically coupled numerical model giving a detailed description of methane desorption and gas recovery within coal seams. Part of the difficulty is related to the highly complex multiscale nature of coal. Indeed, coal is a dual-porosity system characterized by a network of orthogonal fractures, so-called cleats, through which water and gas can percolate, as well as by a microporous matrix where methane is mainly trapped as an adsorbed layer and where diffusion prevails. Moreover, the matrix tends to swell or shrink as a result of sorption-induced processes, adding therefore complexity to the already complex multi-physics processes at stake in such an environment. The efficiency of methane recovery is thus driven by the coupling between gas flow dynamics with sorption/desorption mechanisms, as well as by compaction/deformation processes related to effective stress changes. Here, I propose a hydro-mechanical 3D pore-scale model combining a discrete element method (DEM) and a pore-scale volume method (PFV) to investigate these coupled processes. The DEM is used to represent the solid phase as a collection of bonded particles while the PFV is used to simulate the transport processes at stake within the pore space, i.e., Knudsen and surface diffusions in the microporous matrix, and convection within the cleats. In addition, we included sorption on the solid particles. The PFV mesh is built upon a Delaunay triangulation of the particle centers with cleats identified as discrete interfaces. The model is coupled in the sense that it describes the deformations induced by pore pressure changes that, in turn, directly impact the hydraulic properties of the system. Sorption-induced deformation is also taken into account through the definition of an additional pressure term, the so-called solvation pressure, which is directly related to sorbed quantities. Through different case studies, I was able to validate our model by considering firstly the matrix by itself (Mostafa et al., Fuel, 2023), and, secondly, a cleat-matrix system (Mostafa et al., in prep.).