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Suhett Helmer, Gisele
Universite Paris Est, Ecole doctorale Sciences, Ingenierie et Environnement, Ecole des Ponts et des Chaussees - ENPC, Ecole des Pont ParisTech, Laboratoire Navier-Cermes, UMR 8205, Champs-sur-Marne (France); Bureau de Recherches Geologiques et minieres - BRGM (France)2014
Universite Paris Est, Ecole doctorale Sciences, Ingenierie et Environnement, Ecole des Ponts et des Chaussees - ENPC, Ecole des Pont ParisTech, Laboratoire Navier-Cermes, UMR 8205, Champs-sur-Marne (France); Bureau de Recherches Geologiques et minieres - BRGM (France)2014
AbstractAbstract
[en] The capture and the storage of CO2 (CSC) on the underground geological formations is a solution for the CO2 undesirable effects reduction. The geological formations being composed by heterogenic material have a crack network. The fracture toughness (KC) is a rock parameter connected with the capacity of a material to resist crack propagation. The propagation of a crack can be due to the changing of the stress or to the rock degradation. The evaluation of the fracture toughness and its evolution due to the chemical effects is then important to the modelling of the crack propagations on the CO2 storage context. One objective of this work is the experimental evaluation of the CO2 degradation on the fracture toughness. For the experimental program a preliminary study was made to the choice of the rock and the test to be performed. In this way, a limestone (Pierre de Lens) was chosen to be studied in an intact and degraded state. The degradation takes place in an autoclave, where the samples are put at CO2-saturated water in reservoir conditions (60 deg. C and 15 MPa). Several experimental tests are chosen for the evaluation of the fracture toughness in modes I and II. Some examples are the Central crack Brazilian disc (CCBD) for the mode I and the Punch through shear test (PTST) for the mode II. Some tests were performed using an image correlation technique (DIC). This set-up allows the fracture toughness evaluation by the displacement field evolution. The experimental results shows the fracture toughness values obtained by the different configurations are in good agreement. After the DIC technique analysis we can point the fracture toughness in mode II cannot be evaluated in a non-confined test. For the degradation process, the complementary analysis in the mercury porosimeter shows the rock porosity changing is low (0.4 %). At the SEM, the degradation can be observed by a homogenization of the sample. For the fracture toughness it value passes from 0.62 to 0.58 MPa.m0.5. We also have studied the effect of water performing tests in a saturated environment. The influence is more significant with a reduction on 17 % in the fracture toughness. The CO2 presence in the fluid does not affect this value. Concerning the mode II evaluation by the PTST test, the samples were submitted to different confining pressures (5, 10 and 15 MPa). We can observe a good evaluation of the fracture toughness in mode II (around 3 MPa.m0.5). Nevertheless, the mode II is still present for the pressures 5 and 10 MPa, and it is not inexistent for a 15 MPa pressure. Still in this case the influence of CO2 is low with values passing from 2.96 to 2.77 MPa.m0.5. The influence if the rock degradation by the CO2 presence on the crack propagation were studied by the help of a numerical model ENDO-HETEROGENE, that is present in the Code-AsterR calculation code. This model is based on the initiation and propagation of cracks in a heterogenic environmental where the parameter variability follows the 2 parameters Weibull probabilistic model (m and σ0). We exploited the possibility of the chemical degradation influence on the microstructure heterogeneity that is represented by the parameter m. The model shows that the changing of m influence on the crack number and dimensions by the maximum size of the crack didn't change. Putting this result in context, the Weibull parameters were evaluated for the intact and degraded rock. We observed that m changes from 8.55 to 8.52 and σ0 from 2.8 to 2.2 MPa. The numerical simulations show this variation is not enough to change the crack network that is formed after a load in a geological layer. The general results show that for a limestone reservoir the CO2 injection affect significantly neither the fracture toughness nor the probabilistic parameters. These results correspond to a 10 years period for a zone far from the injection point. (author)
[fr]
Le captage et stockage du CO2 (CSC) dans les formations geologiques profondes est une solution pour reduire les effets indesirables du CO2 atmospherique. Les formations geologiques etant des milieux heterogenes, contiennent souvent des reseaux de fissures. La tenacite (KC) est un parametre de la roche associe a la capacite du materiau a resister la propagation d'une fissure. La propagation d'une fissure peut deriver du changement de l'etat de contrainte ou du changement de la tenacite du a la degradation de la roche. La connaissance de la tenacite et son evolution due aux effets chimiques est donc importante pour la modelisation de la propagation des fissures dans le contexte de stockage geologique du CO2. Un objectif de ce travail est l'evaluation de la degradation par le CO2 sur la tenacite d'une roche reservoir. Un calcaire (Pierre de Lens) est choisi pour etre etudie dans son etat sain et degrade. La degradation est realisee dans un autoclave: les echantillons sont places dans une solution aqueuse saturee en CO2, sous les conditions de reservoir (60 deg. C et 15 MPa). Plusieurs configurations ont ete choisies pour les essais mecaniques en mode I et en mode II. Certains essais ont ete realises en utilisant une technique de correlation d'images (DIC). Ce dispositif permet d'evaluer la tenacite a partir de l'evolution des champs de deplacements. Les resultats experimentaux montrent que les valeurs de tenacite en mode I sont tout a fait concordantes entre les differents types d'essai. La technique de correlation d'image met en evidence que la tenacite en mode II ne peut pas etre evaluee dans les essais de chargement non confine. Pour la procedure de degradation, on peut constater par des analyses complementaires que la porosite de la roche change peu (0,4 %). La tenacite de la roche n'est pas sensiblement affectee passant de 0,62 a 0,58 MPa.m0,5. On a egalement etudiee l'effet de la presence de l'eau par des essais de fracturation avec des echantillons satures. Celle-ci a une influence plus significative avec une reduction d'environ 17% de la tenacite relatif aux echantillons secs. En ce qui concerne l'analyse en mode II (PTST), des essais ont ete realises sous differentes pressions de confinement (5 - 15 MPa). On peut constater que cet essai permet une bonne evaluation en mode II (de l'ordre de 3 MPa.m0,5). Cependant, le mode I est encore present pour les pressions de 5 et 10 MPa, et n'est pas toujours inexistant pour une pression de 15 MPa. On a montre, la encore, que l'influence de CO2 est faible avec une tenacite en mode II passant de 2,96 a 2,77 MPa.m0,5. L'influence de la degradation de la roche par le CO2 sur la propagation de fissures a ete etudiee a l'aide d'une modelisation numerique en utilisant le modele ENDO-HETEROGENE, integre dans le code de calcul Code-AsterR. Ce modele est base sur l'amorcage et la propagation des fissures dans un milieu heterogene dont la variabilite des parametres du materiau suit le modele probabiliste de Weibull a 2 parametres (m et σ0). On a explore la possibilite que la degradation chimique influence l'heterogeneite de la microstructure. La modelisation montre que le parametre m influence le nombre et la dimension des fissures, cependant, la taille maximale de la fissure ne varie pas avec m. Pour remettre ces resultats experimentaux en contexte, les parametres de Weibull sont evalues pour la roche saine et degradee. On observe que m varie de 8,55 a 8,52 et σ0 de 2,8 et 2,2 MPa. Selon la simulation numerique cette variation n'est pas suffisante pour changer le reseau des fissures creees apres un chargement dans une couche geologique. Ces resultats montrent que dans le cas d'un reservoir calcaire l'injection de CO2 n'influe pas significativement ni le parametre tenacite, ni dans les parametres probabilistes de la fracturation. Ces resultats correspondent a une periode de 10 ans dans une zone du reservoir loin du puits d'injection. (auteur)Original Title
Propagation des fissures dans les milieux rocheux dans le contexte du stockage de CO2
Primary Subject
Secondary Subject
Source
11 Dec 2014; 201 p; [90 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de L'Universite Paris Est, Specialite: Geotechnique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
AIR POLLUTION CONTROL, CALCULATION METHODS, CARBON COMPOUNDS, CARBON OXIDES, CARBONATE ROCKS, CHALCOGENIDES, CONTROL, DISPERSIONS, FLUID INJECTION, FLUIDS, GASES, HOMOGENEOUS MIXTURES, MECHANICAL PROPERTIES, MECHANICS, MIXTURES, OXIDES, OXYGEN COMPOUNDS, POLLUTION CONTROL, PROCESSING, ROCKS, SEDIMENTARY ROCKS, SEPARATION PROCESSES, SIMULATION, SOLUTES, SOLUTIONS
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