Microstructural Characterization and Micromechanical Modeling of Oolitic Porous Rocks
Caractérisation microstructurale et modélisation micromécanique de roches poreuses oolithiques
Résumé
The aim of this work is to study the influence of the microstructure of heterogeneous porous rocks on the behavior at the macroscopic scale. Thus, we characterized the microstructure and micromechanical properties (thanks to nano-indentation tests) of two porous oolitic rocks (Lavoux limestone and iron ore) to calculate their effective mechanical and thermal properties. Oolitic rocks are constituted by an assemblage of porous grains (oolites), pores and inter-granular crystals. Scanning electron microscopy and X-ray 3D Computed Tomography were used to identify the different components of these rocks. Particular attention was given to X-Ray computed tomography since this analytical method allows the characterization of the porous network (size, spatial distribution, and volume fraction), and the shapes of oolites and inter-oolitic crystals. The novelty of this work lies in taking into account the 3D real shape of pores. Hence, we approximated porous oolites by spheres and irregularly shaped pores by ellipsoids. This approximation was performed thanks to the principal component analysis (PCA), which provides the geometrical properties such as length of semi-axes and orientation of resulting ellipsoids. The sphericity of the approximated oolites was calculated and the values close to 1 allowed us to consider oolites as spheres. To verify the approximation in the case of pores, we evaluated the contribution of these irregularly shaped three-dimensional pores to the overall elastic properties. Thus, compliance contribution tensors for 3D irregular pores and their ellipsoidal approximations were calculated using the finite element method (FEM). These tensors were compared and a relative error was estimated to evaluate the accuracy of the approximation. This error produces a maximum discrepancy of 4.5% between the two solutions for pores and ellipsoids which verifies the proposed approximation procedure based on PCA. The FEM numerical method was verified by comparing the numerical solution for compliance contribution tensors of ellipsoids to the analytical solution based on Eshelby’s theory. The difference between these two solutions does not exceed 3%. The same numerical method was used to calculate thermal resistivity contribution tensors. Calculated compliance and resistivity contribution tensors were used to evaluate effective elastic properties (bulk modulus and shear coefficient) and effective thermal conductivity by considering the two-step Maxwell homogenization scheme. The results showed an important influence of the porosity on effective properties. Finally, the results obtained for irregular pores were compared to those for ellipsoidal ones and they showed a good agreement with a maximum deviation of 4% which verifies once again the approximation of irregularly shaped pores by tri-axial ellipsoids
Le but de ce travail est d'étudier l'influence de la microstructure de roches poreuses hétérogènes sur le comportement à l'échelle macroscopique. Ainsi, nous avons caractérisé la microstructure et les propriétés micromécaniques (grâce à des tests de nano-indentation) de deux roches oolithiques poreuses (calcaire de Lavoux et minerai de fer) pour calculer leurs propriétés mécaniques et thermiques effectives. Les roches oolithiques sont constituées d'un assemblage de grains poreux (oolithes), de pores et de cristaux intergranulaires. La microscopie électronique à balayage et la tomographie 3D aux rayons X ont été utilisées pour identifier les différents composants de ces roches. Une attention particulière a été accordée à la tomographie aux rayons X car cette méthode analytique permet de caractériser le réseau poreux (taille, distribution spatiale et fraction volumique), ainsi que la forme des oolithes et des cristaux inter-oolithiques. La nouveauté de ce travail réside dans la prise en compte de la forme 3D réelle des pores. Par conséquent, nous avons approximé les oolites poreuses par des sphères et les pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes. Cette approximation a été réalisée grâce à l'analyse en composantes principales (ACP), qui fournit les propriétés géométriques telles que la longueur des demi-axes et l'orientation des ellipsoïdes résultants. La sphéricité des oolites approximées a été calculée et les valeurs proches de 1 nous ont permis de considérer les oolithes comme des sphères. Pour vérifier l'approximation dans le cas des pores, nous avons évalué la contribution de ces pores tridimensionnels de forme irrégulière aux propriétés élastiques et thermiques effectives. Ainsi, les tenseurs de contribution de souplesse pour les pores irréguliers 3D et leurs approximations ellipsoïdales ont été calculés en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). Ces tenseurs ont été comparés et une erreur relative a été estimée pour évaluer la précision de l'approximation. Cette erreur produit une distance maximale de 4,5% entre les deux solutions pour les pores et les ellipsoïdes, ce qui vérifie la procédure d'approximation proposée basée sur ACP. La méthode numérique FEM a été vérifiée en comparant la solution numérique des tenseurs de contribution des ellipsoïdes à la solution analytique basée sur la théorie d'Eshelby. La différence entre ces deux solutions ne dépasse pas 3%. La même méthode numérique a été utilisée pour calculer les tenseurs de contribution de résistivité thermique. Les tenseurs de souplesse et de résistivité calculés ont été utilisés pour évaluer les propriétés élastiques effectives (module élastique et coefficient de cisaillement) et la conductivité thermique effective en considérant le schéma d'homogénéisation de Maxwell en deux étapes. Les résultats ont montré une influence importante de la porosité sur les propriétés effectives. Enfin, les résultats obtenus pour les pores irréguliers ont été comparés à ceux des ellipsoïdes et ils ont montré un bon accord avec un écart maximal de 4% ce qui vérifie l'approximation des pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes triaxiaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)