Modelling of chemo-poromechanical coupling applied to the CO2 storage in coal
Description
The geological storage of CO2 in aquifers reservoirs such as limestone and sandstone, coal is a possible way to reduce greenhouse gas emission into the atmosphere. However, the injection of CO2 may modify petrophysical (porosity and permeability), mineralogical (transformations) and mechanical (deformations, strength) properties of reservoir rocks (limestone, sandstone, coal). In the case of coal, the injection of CO2 can also induce matrix swelling due to adsorption processes. The focus of this thesis is to translate in terms of phenomenological models, the behaviors and chemo-poromechanical coupling of reservoir rocks of coal type. In this work, we focused particularly on the study of CO2 injection into coal. For this, two models of homogenized coal porosity have been developed by taking into account the adsorption phenomenon, known to be the main mechanism of production or sequestration of CO2 in many coal reservoirs. The first model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of a single injection of CO2, and the second model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of an injection of CO2 with methane CH4 recovery. The adsorption process is classically modelled using Langmuir's isotherm (for one gas in the first model and for two gases in the second model). The implementation of these models in Code-Aster (a fully coupled Thermo-Hydro- Mechanical analysis code for structures calculations, developed by Electricity of France - EDF) allowed us to make numerical simulations of CO2 storage in coal. For a single injection of CO2 into coal (first model), the coal matrix behaved in two different ways: it swells (resulting in the decrease of coal porosity) when the adsorption phenomenon is taken into account and shrinks (resulting in the increase of coal porosity) otherwise. Being in good agreement with the results in specialized literature in this field, it shows the ability of the model to predict the poroelastic behaviour of coal to CO2 injection. Also with the first model, we studied particularly through numerical simulations the influence of coal's hydromechanical properties (Biot's coefficient, bulk modulus), Langmuir's adsorption parameters and the initial liquid pressure in rock mass during CO2 injection in coal. In the case of methane recovery (second model), a coupling of Code-Aster and a reactive transport code, HYTEC (Hydrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, developed by Mines Paris Tech) was needed to handle the above calculation of partial pressures of the two gases (CO2 and CH4) at each time step. Digital development work on the two computers codes (Code-Aster and HYTEC) was then necessary. This thesis proposed a method of coupling between the two codes whose techniques are widely described in the manuscript. (author)
Abstract (French)
Le stockage geologique du CO2 dans des reservoirs aquiferes de type calcaire et gres, du charbon non exploite est une des solutions envisagees pour reduire les emissions de gaz a effet de serre dans l'atmosphere. Cependant, l'injection de CO2 peut perturber les proprietes petrophysiques (porosite et permeabilite), mineralogiques (transformations) et mecaniques (deformations, resistance a la rupture) des roches reservoir (calcaire, gres, charbon). Dans le cas du charbon, l'injection de CO2 peut egalement se traduire par des phenomenes de gonflement de la matrice lies au processus d'adsorption. L'objectif de ce travail de these est de traduire en termes de modeles phenomenologiques les comportements et les couplages chimio-poromecaniques des roches reservoir de type charbon. Dans ce travail, nous nous sommes focalises en particulier sur l'etude de l'injection de CO2 dans le charbon. Pour cela, deux modeles homogeneises de porosite du charbon ont ete developpes avec la prise en compte du phenomene d'adsorption, connu pour etre le principal mecanisme de production ou de sequestration de CO2 dans de nombreux reservoir de charbon. Le premier modele permet d'etudier le comportement poro-elastique du charbon pour une injection simple de CO2 et le second permet d'etudier le comportement poro-elastique du charbon pour une injection de CO2 avec une recuperation assistee de methane CH4. Le processus d'adsorption est classiquement modelise a l'aide de l'isotherme d'adsorption de Langmuir (pour un gaz dans le premier modele et pour deux gaz dans le second modele). L'implantation de ces modeles dans le Code-Aster (code d'analyse de calcul de structures entierement couple THM, developpe par Electricite De France - EDF) nous a permis de faire des simulations numeriques de stockage de CO2 dans le charbon. Pour une injection simple du CO2 dans le charbon (premier modele), la matrice du charbon s'est comportee de deux facons differentes: elle gonfle (ce qui induit une diminution de la porosite du charbon) avec la prise en compte du phenomene d'adsorption et se contracte (ce qui induit une augmentation de la porosite du charbon) dans le cas contraire. Etant en bon accord avec les resultats de la litterature specialisee, cela montre la capacite du modele a predire le comportement poroelastique du charbon durant l'injection de CO2. Toujours avec le premier modele, nous avons en particulier etudie l'influence des proprietes hydro-mecaniques du charbon (coefficient de Biot, module de Young/module d'incompressibilite), les parametres d'adsorption de Langmuir et la pression initiale du liquide interstitiel dans le charbon, sur la reponse du charbon a l'injection du CO2. Dans le cas d'une recuperation assistee du methane CH4 (le second modele), un couplage du Code-Aster et un code de transport reactif HYTEC (HYdrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, developpe par MINES Paris Tech) etait necessaire pour gerer surtout le calcul des pressions partielles des deux gaz (CO2 et CH4) a chaque pas de temps. Un travail de developpement numerique sur les deux codes de calcul etait alors necessaire. Ce travail de these a propose une methode de couplage entre les deux codes (Code-Aster et HYTEC) dont les techniques sont largement decrites dans le manuscrit. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Modelisation des couplages chimio-poromecaniques appliquee au stockage de CO2 dans le charbon
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 219 p.
- Report number
- FRNC-TH--14720
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54091834
- Subject category
- S37: INORGANIC, ORGANIC, PHYSICAL AND ANALYTICAL CHEMISTRY; S58: GEOSCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ADSORPTION ISOTHERMS; CARBON SEQUESTRATION; COAL; COMPUTERIZED SIMULATION; DISSOLUTION; ENHANCED RECOVERY; FLOW MODELS; GAS INJECTION; METHANE; POROSITY; POROUS MATERIALS; RESERVOIR ROCK; ROCK-FLUID INTERACTIONS; SWELLING; VELOCITY; YOUNG MODULUS
- Descriptors DEC
- AIR POLLUTION CONTROL; ALKANES; CARBONACEOUS MATERIALS; CONTROL; DEFORMATION; ENERGY SOURCES; FLUID INJECTION; FOSSIL FUELS; FUELS; HYDROCARBONS; ISOTHERMS; MATERIALS; MATHEMATICAL MODELS; MECHANICAL PROPERTIES; ORGANIC COMPOUNDS; POLLUTION CONTROL; SEPARATION PROCESSES; SIMULATION
Optional Information
- Notes
- Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses