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Modélisation multi-échelle et optimisation du stockage de CO2 dans un réservoir de gaz de charbon

Offre de thèse

Modélisation multi-échelle et optimisation du stockage de CO2 dans un réservoir de gaz de charbon

Date limite de candidature

05-06-2024

Date de début de contrat

01-10-2024

Directeur de thèse

LE Tien Dung

Encadrement

Directeur de thèse : LE Tien Dung - LEMTA - Maitre de Conférences HDR Université de Lorraine - tien-dung.le@univ-lorraine.fr Co-directrice de thèse : PANFILOV Irina - LEMTA - Maitresse de Conférences HDR Université de Lorraine - irina.panfilov@univ-lorraine.fr

Type de contrat

Plan Investissement d'Avenir (Idex, Labex)

école doctorale

SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

équipe

Axe Transverse IRM

contexte

In the recent decades, the greenhouse effect is primarily caused by enormous additional quantity of carbon dioxide injected to the atmosphere by fossil fuel burning activities. To attain the objective of limiting the global warming below 2 degrees Celsius in 2050, development of CO2 capture and storage technologies needs to be well studied. One of the most popular technique is the geological CO2 storage. This aims at injecting CO2 into underground geologic formations allowing durable CO2 sequestration with large stored quantities. CO2 is firstly captured, pressurized and then injected into specific porous rock formations capable of storing CO2 for long terms. This project deals with the CO2 storage potential in unminable coalbed methane reservoirs.

spécialité

Énergie et Mécanique

laboratoire

LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée

Mots clés

Stockage du CO2, réservoir de gaz de houille, Modélisation multi-échelle, Poromécanique, Transport en milieu poreux

Détail de l'offre

Ce projet a pour objectif d'évaluer la pertinence et le potentiel de séquestration du dioxyde de carbone dans les réservoirs de gaz de charbon. C'est un processus pouvant répondre aux exigences en matière de limitation des rejets de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Ce projet vise à développer des modèles multi-échelles pour les problèmes de mécanique et de transport du mélange gazeux (CO2, CH4, N2), de l'échelle moléculaire à l'échelle du réservoir, afin de simuler le processus de stockage du CO2 dans les veines de charbon. La compréhension du comportement complexe du milieu poreux et des gaz adsorbés à la surface des micropores de charbon nécessite la combinaison de connaissances issues de différentes disciplines : géosciences, mécanique des solides et des fluides, thermodynamique, transport dans les milieux poreux et modélisation numérique.

Le réservoir de méthane de houille, qui fait référence à un réservoir non conventionnel, présente une formation géologique spécifique composée d'un réseau de fractures naturelles (cleats) de faible perméabilité et d'une matrice de veine de charbon caractérisée par d'abondants sites d'adsorption pour le gaz. Cette dernière offre un énorme potentiel de stockage de gaz dans les nanopores dont la taille est typiquement de plusieurs nanomètres. Le stockage du CO2 dans la veine de charbon consiste à utiliser l'adsorption préférentielle du CO2 par rapport à d'autres gaz. Lors de l'injection de CO2 dans les réservoirs de charbon, le CO2 est adsorbé sur les sites d'adsorption dans la matrice du charbon et le méthane est libéré et récupéré sous forme de gaz libre. Le CO2 reste stocké dans la veine de charbon. Cependant, l'injection de gaz à haute pression peut fermer les fractures naturelles et interrompre la procédure d'injection. La compréhension de ces phénomènes complexes par la modélisation est très importante pour améliorer la procédure d'injection et pour optimiser les différents paramètres tels que la pression du gaz injecté, le temps d'injection, la composition du gaz, etc., en tenant compte des mécanismes multiphysiques (isotherme d'adsorption, mécanisme de transport, poromécanique).

Plusieurs obstacles scientifiques doivent être surmontés :
- Caractérisation du charbon : la caractérisation d'échantillons de charbon à l'aide d'une technique de porosimétrie est nécessaire pour obtenir la distribution de la taille des pores, la porosité et la perméabilité. Ces informations importantes seront utilisées pour modéliser le processus de stockage du CO2.
- Isothermes d'adsorption de mélanges gazeux : développement d'un modèle permettant de prédire les quantités adsorbées d'un mélange et la force induite par l'adsorption (à savoir la force de solvatation) pour une distribution donnée de la taille des pores de la matrice du charbon. Comprendre l'effet de la force induite par l'adsorption sur le comportement poromécanique de la matrice pour une distribution donnée de la taille des pores.
- Modéliser le couplage entre le transport et la réponse poromécanique du milieu pour prédire la déformation en fonction du temps (changement de perméabilité).
- Outils numériques permettant de réaliser des simulations réalistes à l'échelle du réservoir et d'optimiser les paramètres afin de maximiser la quantité de CO2 stockée.

Le projet de thèse sera développé en étroite collaboration avec l'équipe du LNCC (Laboratório Nacional de Computação Científica, Brasil), qui contribuera à développer le modèle poromécanique multi-échelle et à étudier les phénomènes d'adsorption du CO2 dans les matériaux nanoporeux.

Keywords

CO2 storage, Coalbed methane, Mutiscale modelling, Poromechanics, Transport in porous media

Subject details

In the recent decades, the greenhouse effect is primarily caused by enormous additional quantity of carbon dioxide injected to the atmosphere by fossil fuel burning activities. To attain the objective of limiting the global warming below 2 degrees Celsius in 2050, development of CO2 capture and storage technologies needs to be well studied. One of the most popular technique is the geological CO2 storage. This aims at injecting CO2 into underground geologic formations allowing durable CO2 sequestration with large stored quantities. CO2 is firstly captured, pressurized and then injected into specific porous rock formations capable of storing CO2 for long terms. This project deals with the CO2 storage potential in unminable coalbed methane reservoirs. The coalbed methane reservoir referring to an unconventional reservoir presents a specific geologic formation composed of a natural fracture networks (cleats) of low permeability and coal seam matrix characterized by abundant adsorption sites for gas. The latter offers a huge potential of gas storage within the nanopores with a pore size typically of several nanometers. CO2 storage in the coal seam consists in using preferential adsorption of CO2 compared to other gases. When injecting CO2 into coal reservoirs, CO2 is adsorbed at the adsorption sites within the coal matrix and the methane is released and recovered as free gas. CO2 remains stored within the coal seam. However, high gas pressure injection may close the natural fractures and stop the injection procedure. Understanding these complex phenomena by modelling is very important to enhance the injection procedure and to optimize different parameters as injection gas pressures, injection time, gas composition, etc., considering the multiphysical mechanisms (adsorption isotherm, transport mechanism, poromechanics). Several scientific barriers need to be overcome: - Coal characterization: characterization of coal samples from coal seam gas reservoirs using a porosimetry technique is required to quantify pore size distribution, porosity and permeability. This important information will be used to model the CO2 storage process. - Gas mixture adsorption isotherms: developing a model to predict the adsorbed quantities of a mixture and the adsorption-induced force (namely solvation force) for a given pore size distribution of the coal matrix. Understanding the effect of the adsorption-induced force on the poromechanical behavior of the matrix for a given pore size distribution. - Modelling the coupling between transport and poromechanical response of the medium to predict the time-dependent deformation (change in permeability). - Numerical tools allowing to carry out realistic simulations on the reservoir scale and to optimize the parameters in order to maximize the CO2 stored quantity. Understanding the complex behavior of the porous medium and the gases adsorbed on the surface of coal nanopores requires the combination of knowledge from different disciplines: geosciences, solid and fluid mechanics, thermodynamics, transport in porous media, mathematics and numerical modelling. The proposed doctoral project brings together these skills in order to develop a fundamental research to build an original mathematical model. This model will use the skills of the research team, on the one hand, in multiscale modeling techniques and, on the other hand, in petroleum engineering. The thesis project will be developed within close co-working with the team in LNCC (Laboratório Nacional de Computação Científica, Brazil), which will contribute to develop the poromechanical multiscale model and to study the CO2 adsorption phenomena in nanoporous materials.

Profil du candidat

Profil : master 2 de recherche ou école d'ingénieur dans les domaines de la mécanique des fluides, des simulations numériques, des écoulements multiphasiques et milieux poreux

Compétences recherchées : écoulement en milieu poreux, mécanique des milieux continues, simulations numériques, connaissance des logiciels (Matlab, COMSOL) serait un plus

Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) avec au moins une mention AB.
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).
Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses : tien-dung.le@univ-lorraine.fr et
irina.panfilov@univ-lorraine.fr

Candidate profile

Profile: Master 2 or engineering school in the fields of fluid mechanics, numerical simulations, multiphase flows and porous media.

Skills required: transport in porous media, continuum mechanics, numerical simulations, knowledge of software (Matlab, COMSOL) would be a plus.

All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.
The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email : tien-dung.le@univ-lorraine.fr and irina.panfilov@univ-lorraine.fr

Référence biblio

T. D. Le, C. Moyne, M. A. Murad, I. Panfilov, A three-scale poromechanical model for swelling porous media incorporating solvation forces: Application to enhanced coalbed methane recovery, Mechanics of Materials, 131, 47-60 (2019).

T. D. Le, Q. D. Ha, I. Panfilov, C. Moyne, Multiscale model for flow and transport in CO2-enhanced coalbed methane recovery incorporating gas mixture adsorption effects, Advances in Water Resources, 144, 47-60 (2020).

Q. D. Ha, T. D. Le, I. Panfilov, C. Moyne, Solvation force and adsorption isotherm of a fluid mixture in nanopores of complex geometry based on Fundamental Measure Theory, Journal of Physics: Condensed Matter, volume 33, 335002- (2021).

Q. D. Ha, T. D. Le, I. Panfilov, C. Moyne, M. Murad, Upscaling poromechanical models of coalbed methane reservoir incorporating the interplay between non-linear cleat deformation and solvation forces, International Journal of Solids and Structures, 262-263, 112083- (2023).