Description générale

De façon générale, une expérience se décompose en trois étapes bien distinctes successives.

7.1.1 Préparation

Comme nous l'avons déjà mentionné précédemment, la formation d'hydrates de méthane est effectuée à partir d'eau liquide. Comme les hydrates doivent se former au sein d'une matrice sédimentaire, une phase de "mouillage" du sédiment est donc nécessaire. Ainsi, afin d'obtenir une matrice sédimentaire mouillée de la façon la plus homogène possible, un protocole bien précis a été défini.

Ce protocole, développé par le professeur Chuvilin dans le cadre du projet INTAS, se décompose comme suit :

• mise en place du sédiment dans une enceinte réfrigérée (6°C) pendant 2h • formation de glace avec l'eau purifiée

• pilage de la glace

• mélange du sédiment et des cristaux de glace

• mise au repos du mélange dans l'enceinte réfrigérée pendant 6h

Une fois ce mouillage terminé, le mélange est introduit dans chacune des zones sédimentaires (au préalable, chacune de ces zones est réfrigérée par un cryostat afin d'empêcher des phénomènes de séchage du sédiment au niveau des parois pendant le remplissage).

Un tassement par vibration et contrainte mécanique est appliqué pendant ce remplissage des carottes sédimentaires afin que le sédiment soit compacté (qu'il n'y ait plus de zone vide ou peu tassée au cœur d'une carotte).

Chaque zone sédimentaire remplie est replacée dans le dispositif et sa double paroi est reliée à un cryostat pour une régulation en température.

7.1.2 Formation d'hydrates de méthane

La formation d'hydrates de méthane nécessite une température basse et une forte pression. Les zones sédimentaires maintenues à une température fixe par les cryostats sont donc mises sous pression de méthane.

La mise en pression du système se fait très lentement et de façon homogène afin de ne pas créer de mouvement de fluide au sein des carottes (une montée en pression rapide et seulement à certains endroits du dispositif engendrerait des gradients de pression dans le milieu poreux, d'où un écoulement de l'eau contenue en son sein et une modification du système). La formation d'hydrates de méthane sédimentaire doit être la plus homogène possible. Le volume de méthane libre pour la formation des hydrates étant relativement faible, une deuxième mise en pression peut éventuellement avoir lieu après quelques heures afin de rester dans la zone de stabilité des hydrates de méthane.

Le système est ensuite mis au repos pendant 24 h afin de permettre la formation complète des hydrates de méthane.

La formation est une réaction exothermique et consommatrice de gaz (figure 7.1). Le suivi de cette étape de formation est effectué grâce aux mesures de pression et de température à différents endroits du système. Lorsque la pression du système se stabilise, on peut en conclure que la formation est terminée.

• Formation secondaire

Le taux de conversion d’hydrates de méthane formés peut croître si la force motrice de formation est diminuée (en réduisant la pression vers la pression d’équilibre pour la température du système ou en augmentant la température vers la température d’équilibre pour la pression du système). Ce phénomène que nous qualifierons de « formation secondaire » peut s’expliquer de deux façons différentes.

Premièrement, la saturation en méthane de l’eau à l’équilibre diminue avec la décroissance de la pression ou l’augmentation de la température. En cas de dépressurisation ou de réchauffage, l’eau devient subitement sursaturée en méthane, relâchant par dégazage du méthane qui peut participer à la formation d’hydrates. De plus, une diminution de pression ou une augmentation de température peut engendrer un écoulement de méthane dans l’eau, facilitant la formation d’hydrates et l’augmentation du taux de formation.

Deuxièmement, pendant la formation d’hydrates, une partie de l’eau peut ne plus être au contact de la phase gazeuse, l’hydrate se formant à l’interface gaz/liquide, des poches isolées

d’eau contenant du méthane dissous peuvent se créer. Quand la pression diminue ou la température augmente, ces poches deviennent sur-pressurisées, relâchent donc du méthane par dégazage qui peut fissurer l’hydrate, augmentant la surface de réaction entre la phase liquide et la phase gaz et ainsi faciliter une formation secondaire d’hydrates de méthane.

La présence de ce phénomène introduit ainsi dans le protocole de formation des hydrates des paliers à différentes pressions assez proches de la pression d’équilibre afin d’optimiser le taux de formation des hydrates de méthane sédimentaires.

Figure 7.1 – Courbes de pression et de température pendant la formation d'hydrates

7.1.3 Dissociation d'hydrates

Avant de passer à l'étape de dissociation des hydrates de méthane formés, le système est dépressurisé très lentement jusqu'à une pression légèrement supérieure à la pression d'équilibre pour la température fixée par les cryostats (cette dépressurisation, responsable d'une légère diminution en température du système, est très lente afin de ne pas atteindre une température en dessous de 0°C et de ne pas former de glace). Une mise au repos de quelques minutes est nécessaire ensuite afin de permettre au sédiment partiellement saturé en hydrates de méthane de revenir à sa température de consigne. A cet instant là, toutes les lignes

d'interconnections entre les zones sédimentaires (lignes pointillées sur la figure partie), hormis celles entre deux zones successives, sont fermées afin d'isoler le système.

Dans le dispositif expérimental présenté ci-dessus, les deux principales méthodes de dissociation d'hydrates sont envisageables.

7.1.3.1 Dissociation par réchauffage

La première consiste en une augmentation de la température de la paroi externe. La consigne de l'électrovanne est égale à la pression du système à l'équilibre. A un instant t donné, la consigne en température des cryostats est augmentée. La température externe des zones sédimentaires augmente donc, l'énergie fournie au système par ce biais permet la dissociation des hydrates de méthane. La montée en pression du système est caractéristique de la dissociation des hydrates, l'électrovanne régule et maintient la pression du système à la température initiale.

Cependant, de nombreuses limites techniques apparaissent et permettent de justifier l'abandon de cette méthode de dissociation. La principale est le manque de contrôle au moment du réchauffage du fluide dans les doubles parois. En effet, utilisant quatre types différents de cryostat, la montée en température jusqu'à la nouvelle consigne n'est pas exactement la même pour chaque zone, contredisant la volonté d'un réchauffage équivalent et homogène sur toute la carotte sédimentaire. De plus, des hétérogénéités apparaissent également à l'échelle d'une carotte: le fluide venant du cryostat entre dans la double paroi par le bas et ressort par le haut; ainsi, au moment du réchauffage, le bas de la carotte se réchauffe plus rapidement que le haut. Ces limites nous ont amenés à utiliser uniquement la méthode de dissociation par dépressurisation afin de dissocier les hydrates de méthane.

7.1.3.2 Dissociation par dépressurisation

Ici, la diminution en pression est l'élément "déclencheur" de la dissociation des hydrates. A partir de la carotte sédimentaire partiellement saturée en hydrates à l'état d'équilibre, une dépressurisation rapide est effectuée à un instant t donné à l'extrémité gauche du dispositif, au niveau du capteur de pression 6 (figure 6.2).

L'opérateur choisi de façon arbitraire une pression de dissociation et descend donc la pression à cet endroit du système jusqu'à cette valeur en évacuant le méthane par la ligne d'évacuation. La consigne de l'électrovanne est fixée de façon à être très légèrement supérieure à cette pression de dissociation (quelques bars). Le système est ensuite isolé (la ligne d'évacuation est fermée) et le suivi de la dissociation et de sa cinétique est mis en place.