Contribution à l'étude thermomécanique des cavités réalisées par lessivage dans des formations géologiques salines
Résumé
Fruit of about thirty years of experience in the research field of salt caverns, this dissertation presents succinctly the industrial problem at the source of my research. Whatever the considered theme, salt production through the dissolution of rock salt or underground salt cavern storage, the industrial problem open the way for many research axises in different disciplines relating to the study of geomaterials with a particular thermo-mechanical coupling problem in elasto-viscoplastic material submitted to finite transformations. The part "Mechanical behaviour of rock salt" points out the basic concepts of solid material constitutive behaviour and highlights two ongoing difficulties regarding the specific rock salt behaviour. The first one deals with the end effects during the classical laboratory tests. This problem can distort the determination of constitutive laws that govern the rock damage and failure (non desirable stress heterogeneity phenomenon within the sample). An approach, already presented by the author,is used in order to demonstrate the fact that the same laboratory data concerning the rock salt dilatancy phenomenon can be interpreted with a rheological model which assume that damage can starts when one of the principal stresses is tensional. The second difficulty is related to the restricted character of the validity range of some classical behaviour laws that were proposed to describe the ductile behaviour of rock salt and in particular to the stress variations range (low deviatoric stress range). This phenomenon concerning the rock salt behaviour under small deviatoric stresses is already known. In this work, it will be illustrated by an original theoretical example. The Chapter "Modelling of underground structures", highlights the interest of 1D modelling approaches (although geometric simplifications) and draw the attention on the fact that a rheological model which represents badly the behaviour under small deviatoric stresses can lead to results well different from what happens in-situ. This problem was already known but deserved that one insists on it by presenting an example which can be declined under various alternatives. In the context of thermo-elasto-viscoplasticity, it is possible to explain the strong influence of small deviatoric stresses on the cavern volume variation. Furthermore, a simple methodology of taking into account the mechanical aspect during the cavern leaching phase is presented. We reconsider then the problem of the mobility of the cavern boundaries during the leaching phase in the chapter "Leaching phase modelling" but in this case with thermal aspect. Indeed, software which model the physico-chemical dissolution phenomenon need, as an input parameter, the cavern temperature with a good accuracy. For the moment, tackling the general thermal problem (2D or 3D) is relatively difficult. However, we can get round this difficulty by using a model that mix artfully 1D cylindrical approach around the well, 1D spherical approach around the cavern and 0D approach for the fluid within the cavern. An original method for the choice of the spherical model is described. Its use for a real gas storage cavern case is encouraging.
Fruit d'une expérience de recherche de près de 30 ans dans le domaine des cavités salines, ce mémoire présente succinctement le problème industriel à l'origine de mes recherches. Qu'il s'agisse d'exploitation de sel par dissolution ou de cavités de stockage, le problème industriel ouvre en effet de nombreux axes de recherche dans diverses disciplines concernant les géomatériaux avec en particulier un couplage thermomécanique dans un matériau élastoviscoplastique subissant des transformations finies. La partie "Comportement mécanique des roches salines" rappelle les notions de base de lois de comportement d'un matériau solide et souligne deux difficultés actuelles concernant le sel gemme. Le premier problème est relatif au frettage au niveau des plateaux de la presse au cours des essais classiques de laboratoire qui peut fausser la détermination des lois qui régissent l'endommagement et la rupture de la roche (phénomène non souhaité d'hétérogénéité des contraintes dans l'éprouvette). Une démarche déjà proposée par l'auteur est utilisée pour montrer que les mêmes résultats de laboratoire concernant le phénomène de dilatance (endommagement) peuvent être interprétés par un modèle rhéologique dans lequel le matériau ne subit L'endommagement que lorsque l'une des contraintes principales est une traction. La seconde difficulté relève du caractère restreint de la gamme de validité de certaines lois classiques proposées pour décrire le comportement ductile des roches salines et en particulier la gamme de variation des contraintes (prise en compte des faibles déviateurs). Ce phénomène concernant le comportement des roches salines sous faibles déviateurs était déjà connu et ici, il est illustré par un exemple théorique original. Le chapitre "Modélisation des ouvrages souterrains" souligne l'intérêt des modélisations 1D (malgré les hypothèses simplificatrices sur la géométrie des ouvrages souterrains) et attire l'attention sur le fait qu'un modèle rhéologique qui ne représente pas correctement le comportement sous faible déviateur peut conduire à des résultats bien différents de ce qui se passe in situ. Le problème était déjà connu mais méritait que l'on y insistât avec un exemple qui peut être décliné sous diverses variantes. Dans le cadre général de la thermoélasto-viscoplasticité, il est possible d'expliquer la forte influence des faibles déviateurs sur la variation du volume d'une cavité. Par ailleurs, une méthodologie simple de prise en compte de la phase de lessivage en mécanique est présentée. On revient alors sur cette mobilité des parois des cavités durant la phase de lessivage dans le chapitre "Prise en compte du lessivage des cavités salines" mais cette fois avec l'aspect thermique. En effet, les logiciels qui modélisent le phénomène physico-chimique de dissolution ont besoin de la température dans la cavité avec une bonne précision. Aborder le problème thermique dans sa généralité (2D ou 3D) est pour le moment relativement difficile. Mais l'on peut contourner la difficulté par un modèle qui combine astucieusement des approches 1D cylindrique autour du puits, 1D sphérique autour de la cavité et 0D dans le fluide contenu dans la cavité. Une méthode originale pour le choix du modèle sphérique est décrite. Son utilisation pour un cas réel de cavité de stockage de gaz est encourageante.
Domaines
Planète et Univers [physics]
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