Impact du milieu poreu

Le mécanisme de dissociation décrit précédemment (dissociation à cœur rétrécissant, Cf. 5.1.2) ne s'applique pas à tous les systèmes sédimentaires partiellement saturés en hydrates de méthane. Comme l'a montré les résultats sur la figure 5.10, dans certaines conditions, des profils non uniformes de pression et de température sont visibles sur la longueur de la carotte. Afin de comprendre et d'étudier plus précisément ces variations et ces caractéristiques, des simulations numériques sont effectuées pour des systèmes sédimentaires semblables aux précédents mais moins perméable ou admettant une saturation initiale en hydrates Sh0 plus

grande.

Pour une carotte sédimentaire de perméabilité absolue K0 égale à 1.10-13 m2, de saturation

initiale Sh0 égale à 0,5 et à laquelle une force motrice ∆Pm de 0,51 MPa est appliquée, les

premières caractéristiques d'une dissociation à la fois radiale et longitudinale sont visibles sur les graphiques. La pression au sein du système ne diminue pas uniformément jusqu'à la pression de dissociation Pd fixée, la température est elle-même différente au centre de la

carotte et aux extrémités (figure 5.11). La réaction de dissociation des hydrates sédimentaires (équivalent à la libération d'eau liquide et de méthane gazeux ou dissous au sein du milieu poreux) provoque des variations de saturation en eau et en gaz: le milieu poreux peu perméable et saturé en hydrates, en eau et en gaz est le siège d'un écoulement diphasique au cours de la réaction.

(a) (b) Figure 5.11 – Etat du système à t = 30 s

(K0 = 1.10

-13 _m2_{, L = 0,5 m, S}

h

0 _{= 0,5, ∆}

Pm = 0,51 MPa)

(a) Pression, (b) Température

La dépressurisation n'est effective et totale qu'aux extrémités du système dans un premier temps: la perméabilité K0 faible du sédiment, la saturation initiale Sh0 et la libération d'eau

liquide et de méthane gazeux (par dissociation) sont autant de paramètres qui participent à la création des gradients de pression au sein du sédiment. Par conséquent, la baisse de température (liée principalement au caractère endothermique de la réaction de dissociation) est plus importante aux extrémités qu'au cœur du sédiment.

Pour une saturation initiale en hydrates Sh0 supérieure et égale à 0,7 et une longueur du

système deux fois plus grande, ces caractéristiques s'accentuent : les gradients longitudinaux de pression sont plus nets et forts que précédemment (figure 5.12 (a)). A l'instant t = 30 s, des gradients de pression de plusieurs bars sont mesurables au sein du système. Deux phénomènes participent et peuvent expliquer en partie cette observation :

• la faible perméabilité du système (perméabilité absolue du sédiment faible + saturation en hydrates élevée) rend difficile l'écoulement du méthane gazeux dans le milieu poreux au moment de la dépressurisation.

• la libération de fluide au moment de la dissociation qui localement peut provoquer une augmentation de la pression (principalement dans les parties centrales de la carotte) si le fluide libéré ne peut s'écouler facilement et rapidement vers les extrémités.

(a) (b)

(c)

Figure 5.12 – Etat du système à t = 30 s (K0 = 1.10-13 m2, L = 1 m,

Sh

0 _{= 0,7,}

∆Pm = 0,51 MPa)

(a) Pression, (b) Température (c) Saturation en hydrates Sh

Parallèlement à cela, la température et la saturation en hydrates Sh du système ont une

évolution radiale et longitudinale (figure 5.12 (b)/(c)): les hydrates ne se dissocient plus de l'extérieur vers l'intérieur, les surpressions au cœur du sédiment limitent la dissociation des hydrates; par conséquent, la température est bien moins basse au cœur du système en raison d'une réaction de dissociation limitée.

Ainsi, pour de tels systèmes sédimentaires, de forts gradients longitudinaux de pression et de température se créent au sein du milieu poreux, la dissociation des hydrates de méthane est à la fois à cœur et à longueur rétrécissant.

Un suivi dans le temps de la pression, de la température et de la saturation en hydrates Sh

permet de mieux comprendre le mécanisme de dissociation pour un tel système sédimentaire (figure 5.13).

Au fil du temps et de l'état d'avancement de la réaction de dissociation, les gradients de pression s'affaiblissent pour arriver jusqu'à l'uniformité de la pression dans le système en cours ou à la fin de la dissociation (annulation caractéristique d'un transfert de masse de plus en plus faible). La dissociation des hydrates suit clairement une évolution selon les deux axes.

(a) (b) (c)

Figure 5.13 – Etat du système à différents instants t (K0 = 1.10-13 m2, L = 1 m, Sh0 = 0,7, ∆Pm = 0,51 MPa)

(a) Pression, (b) Température, (c) Saturation Sh

t = 5 min / 15 min / 30 min

Les hydrates sédimentaires se dissocient à la fois sur les côtés et sur les extrémités du système sédimentaire. La température dans le système sédimentaire suit une évolution comparable à celle de la pression en diminuant progressivement jusqu'à la température d'équilibre Teq(Pd).

Un transfert de masse existe clairement au sein du milieu poreux et participe à la dissociation des hydrates de méthane. La variation d'un paramètre lié (directement ou indirectement) à ce transfert de masse perturbe l'évolution du système, des grandeurs macroscopiques et influe sur la dissociation.

Ainsi, pour une carotte sédimentaire identique à la précédente à l'exception de la longueur (égale à 1,5 m), le transfert de masse longitudinal prend le pas sur le transfert de chaleur radial et gouverne la réaction de dissociation des hydrates de méthane. Les hydrates se dissocient plus rapidement sur les extrémités que sur les bords extérieurs de la carotte. La première zone sans hydrate est donc logiquement le début (ou la fin) de la carotte (figure 5.14). La température au sein du sédiment admet son plus fort gradient le long de la carotte, elle évolue dans un premier temps en diminuant lentement et progressivement jusqu'à la température d'équilibre.

(a) (b) (c)

Figure 5.14 – Etat du système à différents instants t (K0 = 1.10-13 m2, L = 1,5 m, Sh

0 _{= 0,7,}

∆Pm = 0,51 MPa)

(a) Pression, (b) Température, (c) Saturation Sh

Cependant, la température ne reste pas indéfiniment égale à cette valeur : une fois la dissociation des hydrates terminée (et donc la "consommation" de chaleur nécessaire à cette réaction), la température (localement) peut revenir à sa température de consigne égale à la température des parois Tp. Ainsi, de forts gradients longitudinaux de température apparaissent

en fin de réaction (sous forme de paliers), caractéristiques d'une zone sans hydrates aux extrémités et d'une zone de dissociation (où des hydrates sont encore en train de se dissocier) au cœur de la carotte sédimentaire.