Les modèles de dissociation des hydrates sédimentaires

La récupération du gaz contenu et piégé dans les champs hydratifères passe par la dissociation de ces hydrates et donc par une bonne connaissance de tous les phénomènes impliqués dans celle-ci. Afin de mettre en œuvre les meilleurs procédés pour la récupération du gaz, la prédiction de l’état d’avancement de la dissociation, des quantités de gaz potentiellement récupérables, des conditions en pression et en température dans le milieu au cours du temps et des autres facteurs importants à maîtriser dans ces procédés, est un enjeu capital et déterminant pour ce scénario. Les modèles numériques se sont donc multipliés et développés afin de caractériser le phénomène de dissociation des hydrates de gaz sédimentaires.

L’objectif de cette partie est dans un premier temps d’avoir un historique des différents modèles proposés au cours de ces trente dernières années puis de noter l’avancée qu’ils ont permis pour la compréhension du phénomène de dissociation des hydrates sédimentaires. Ainsi, et afin d’arriver à cet objectif, seront données ci-dessous les grandes lignes, les caractéristiques et les hypothèses sur lesquelles les modèles se fondent. Uniquement les modèles ayant un côté novateur ou universel seront explicités très précisément. Pour plus de détails sur les autres modèles, nous invitons le lecteur à se référer aux articles mentionnés. Dans le même temps, les méthodes numériques utilisées pour la résolution de ces modèles sont explicitées afin de mettre en avant leur importance et leur évolution.

La modélisation du procédé de dissociation des hydrates de méthane par dépressurisation a été étudiée par de très nombreux auteurs. (Makogon. ,1974) imagina la dissociation comme un processus de mouvement d’une frontière et se servit de l’équation classique de Stefan pour décrire cette évolution et quantifier cette avancée de frontière. Dans ce modèle, un front de dissociation est imaginé et sépare le réservoir d’hydrate en deux zones : la zone gaz et la zone hydrate.

Les équations gouvernant le mouvement du gaz dans chacune des zones sont écrites séparément. Des solutions « selfsimilar » (semblable) pour le profil en pression sont obtenues après linéarisation des équations. La libération d’eau au cours de la réaction de dissociation n’est pas prise en compte Les modèles de dissociation des hydrates sédimentaires 3 – Les modèles de dissociation des hydrates sédimentaires 42 dans ce modèle (c’est à dire qu’elle ne modifie pas les propriétés microscopiques du matériau, par exemple la perméabilité ou la conductivité). (Verigin et al. ,1980) ont étendu le modèle de (Makogon. ,1974) en y ajoutant les équations de conservations de masse en gaz et en eau au niveau du front de dissociation.

La libération d’eau due à la dissociation des hydrates de méthane est étudiée et ils font l’hypothèse qu’elle est stationnaire et n’affecte pas l’écoulement de gaz dans le système. Dans ces premiers modèles, le processus de dissociation des hydrates est traité comme un processus isotherme. (Holder et al. ,1982) s’intéressent aux transferts de masse et de chaleur au cours de cette réaction pour un réservoir d’hydrate situé en-dessous d’une poche de gaz naturel libre. Dans ce modèle, la dissociation d’hydrate n’a lieu seulement qu’à l’interface hydrate/gaz libre. La distribution de température dans la zone gaz est décrite à l’aide d’une équation faisant intervenir uniquement la conductivité thermique du milieu. Une équation de conservation est écrite pour décrire l’écoulement de gaz, équation dans laquelle le gradient de pression et la vitesse d’écoulement sont liés par la loi de Darcy. L’équation d’échange énergétique au niveau de l’interface leur permet de quantifier la quantité d’hydrates dissociés.

L’écoulement d’eau au cours de la dissociation d’hydrate a été pris en considération par (Burshears et al. ,1986). Ils étendent le modèle de (Holder et al. ,1982) en ajoutant l’équation de conservation massique pour l’eau au front de dissociation. Cependant, le phénomène de transfert thermique convectif est totalement mis de côté et non considéré dans la zone où l’eau et le gaz coexistent. (Selim et al. ,1989) se penchent sur le problème de la dissociation d’hydrate par stimulation thermique (réchauffement).

Dans leur modèle 1D, les transferts thermiques par convection et conduction sont pris en compte tout en faisant l’hypothèse que l’eau contenue dans le réservoir est stationnaire et que la température de la paroi reste constante. Une expression analytique de la distribution de température dans le réservoir est établie dans l’étude. (Yousif et al. ,1991) furent une des premières équipes à proposer une étude complète de la dissociation des hydrates de gaz ; cette étude, à la fois expérimentale et théorique, trouve son origine dans la volonté de simuler les procédés de production de gaz dans un sédiment de type grès par un mécanisme de dépressurisation. L’originalité de ce modèle, si on le compare aux autres modèles de l’époque, est de considérer les bilans de matière et de quantité de mouvement pour les trois phases présentes (eau, gaz, hydrate) dans le milieu poreux.

En effet, dans les modèles proposés précédemment ou à la même époque, les équations d’écoulement n’étaient pas introduites dans la zone hydrate (zone dans laquelle les hydrates sont encore 3 – Les modèles de dissociation des hydrates sédimentaires 43 stables ou en cours de dissociation), une unique équation d’avancée de front de dissociation était introduite dans le modèle et on ne s’intéressait précisément qu’à la zone sans hydrates. Cette vision de la dissociation est évidemment trop réductrice et les phénomènes de transfert de matière doivent être également pris en compte dans la zone hydrate.

Ce changement de point de vue pour la zone hydrate va de pair avec la prise en considération d’une cinétique de dissociation pour les hydrates de gaz. En effet, l’étude de (Kim et al. ,1987), publiée quelques années auparavant, propose une cinétique pour la dissociation des hydrates liée aux conditions extérieures. Ainsi, comme la zone hydrate est étudiée avec plus d’attention et n’est plus considérée comme une zone inerte où la dissociation ne se produit qu’à la frontière, ce modèle de cinétique est nécessairement introduit dans le modèle.

Le modèle théorique proposé par (Yousif et al. ,1991) est un modèle triphasique (eau/gaz/hydrate) 1D pour lequel il considère que la réaction de dissociation des hydrates est un processus isotherme (aucun gradient de température ne se crée au sein du milieu poreux). La dépressurisation est considérée comme le mécanisme entraînant la dissociation (la force motrice est alors la différence de pression, ∆P, entre la pression d’équilibre et la pression réelle au bord du système).