Poromechanics and adsorption: Application to coal swelling during

Poromechanics and adsorption: Application to coal swelling during carbon geological storage
The geological storage of carbon in coal seams is a transitory solution to mitigate climate change. The
feasibility of this type of storage at an affordable cost is still uncertain, in particular because the rate of
injection of carbon dioxide in coal seams is low. Pilot projects have shown that the permeability of the
reservoir decreases during injection, as a consequence of the swelling of the coal matrix induced by the
preferential adsorption of carbon dioxide over the methane in place. This PhD thesis is dedicated to the
study of this swelling. A first theoretical work consisted in extending the constitutive equations of classical
poromechanics to cases for which adsorption on surfaces or in micropores becomes significant. We showed
that the poromechanical behavior of the medium can only be determined if the dependence of adsorption
on the strain of the porous medium is known. The coupling between adsorption and strain is little studied
in the literature and is difficult to measure experimentally. In this work, we used molecular simulations
which make it convenient to control independently the bulk pressure of the adsorbed fluid and the strain of
the porous medium. By performing molecular simulations of adsorption in model one-dimensional systems,
we validated the derived constitutive equations. We also showed that adsorption can depend on the strain
of the medium in a complex manner and depends significantly on the structure of the micropores. Based
on the simulation results on a realistic molecular model of coal, we concluded that the swelling of coal in
presence of fluid can be explained by adsorption in micropores but not by adsorption in mesopores. We
studied numerically the coupling between adsorption and strain in coal. The swelling estimated by combining the simulated adsorption isotherms with the derived poromechanical equations compared well with data
obtained experimentally. We also simulated adsorption of mixtures of carbon dioxide and methane in coal at
temperatures and pressures representative of the underground conditions. The results of those simulations
were used to estimate the differential swelling during the injection of carbon dioxide in coal seams at various
depths.
Keywords: poromechanics, adsorption, coal swelling, molecular simulation, ECBM, CO2 storage.
Poromécanique et adsorption : Application au gonflement du charbon lors du stockage géologique du carbone
Le stockage géologique du carbone dans les veines de charbon est une solution transitoire pour lutter contre
le réchauffement climatique. La faisabilité de ce stockage à un coût abordable reste incertaine, en particulier parce que l’injection de dioxyde de carbone dans les veines de charbon est lente. Les projets pilotes
ont montré que la perméabilité du réservoir diminue lors de l’injection, suite au gonflement du charbon
induit par l’adsorption préférentielle du dioxyde de carbone par rapport au méthane présent naturellement.
Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude de ce gonflement. Un premier travail théorique a consisté à
étendre les équations constitutives de poromécanique classique dans les cas où l’adsorption sur des surfaces
ou dans des micropores devient significative. Nous avons montré que le comportement poromécanique du
solide ne peut être compris que si la dépendance de l’adsorption en fonction de la déformation du milieu
poreux est connue. Le couplage entre adsorption et déformation est peu étudié dans la littérature et difficile à mesurer expérimentalement. Dans ce travail, nous avons utilisé la simulation moléculaire qui permet
facilement de contrôler indépendamment la pression du fluide adsorbé et la déformation du milieu poreux.
À l’aide de simulations moléculaires d’adsorption dans des systèmes modèles unidimensionnels, nous avons
validé les nouvelles équations constitutives. Nous avons montré également que l’adsorption peut dépendre
de la déformation de façon complexe et qu’elle est très sensible à la structure des micropores. Les résultats
de simulations moléculaires d’adsorption dans un modèle moléculaire réaliste de la matrice organique du
charbon nous ont permis de montrer que le gonflement du charbon en présence de fluide peut être expliqué
par l’adsorption dans les micropores, mais pas dans les mésopores. Nous avons étudié numériquement le
couplage entre adsorption et déformation dans le charbon. Le gonflement estimé en associant les simulations
moléculaires d’adsorption aux nouvelles équations constitutives de poromécanique est en bon accord avec
les mesures expérimentales. De même, nous avons simulé l’adsorption de mélanges de dioxyde de carbone et
de méthane dans le charbon à des températures et pressions représentatives des conditions souterraines. Le
résultat de ces simulations a permis d’estimer le gonflement différentiel durant l’injection de carbone pour
des veines de charbon à différentes profondeurs.
Mots clefs: poromécanique, adsorption, gonflement du charbon, simulation moléculaire, ECBM, stockage de
CO2 .