MÉCANIQUE DES CAVITÉS DANS LE SEL
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Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 2 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
0m 500 m DES FORMATIONS SOUVENT 1000 m ÉPAISSES 0 (Etrez, Ain) … 1500 m 2000 m 6 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
DEUX PLAQUES S’ÉCARTENT UN RIFT S’OUVRE LA MER L’ENVAHIT L’ÉVAPORATION LAISSE UNE COUCHE DE SEL LE RIFT S’ENFONCE UNE NOUVELLE COUCHE SE DÉPOSE ETC. 7 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
LA CRISE MESSINIENNE (-5Ma) GIBRALTAR SE FERME L’ÉVAPORATION EST INTENSE LA MÉDITERRANÉE DESCEND DE 1000 M LE FOND SE REMPLIT DE SEL (PARTIE ORIENTALE) 8 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
MONTS ZAGROS (IRAN) UN (RARE) EXEMPLE D’AFFLEUREMENT DU SEL LE GLACIER S’ÉCOULE À LA VITESSE DÉTERMINÉE PAR SA VISCOSITÉ 17 (ÉLEVÉE - 10 Pa.s ) 9 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
FORMATION HUTCHINSON (KS) COUCHE PEU ÉPAISSE (150 M) PEU PROFONDE (250 M) QUASI HORIZONTALE Arbucklee BIEN CONNUE (80 000 PUITS DE GAZ OU PÉTROLE FORÉS VERS LA DOLOMIE ARBUCKLE, À 1000 M DE PROFONDEUR) From Walters, 1995 11 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
DÔME D’OAKWOOD (TX) LA COUCHE-MÈRE (LOUANN) EST À 6000 M DE PROFONDEUR LE SEL, PLUS LÉGER (2160 KG/M3) MONTE DANS LES SÉDIMENTS ACCUMULÉS QUI, AYANT EXPULSÉ LEUR EAU, ONT UNE MASSE VOLUMIQUE DE2300 KG/M3 LOUANN (INSTABILITÉ DE RAYLEIGH-TAYLOR) 12 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
MINES ‘’SÈCHES’’ DE SEL 13 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
MINES ‘’SÈCHES’’ DE SEL (VARANGÉVILLE) 14 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 15 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
ON ACCÈDE À LA FORMATION SALIFÈRE PAR UN PUITS CUVELÉ-CIMENTÉ, ‘’SABOT’’ SOUS LE TOIT DU SEL (1300 M) DANS LEQUEL ON DESCEND UN 2ème TUBE L’EAU DOUCE EST INJECTÉE PAR CE TUBE CENTRAL (100-200 M3/H) LA SAUMURE REMONTE PAR L’ANNULAIRE IL FAUT 8 M3 D’EAU DOUCE POUR CRÉÉR 1 M3 DE TROU, ET QUELQUES ANNÉES POUR OBTENIR UNE CAVITÉ DE 400,000 M3 STORENGY (ETREZ, AIN) 16 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
LA FORME DE LA CAVITÉ SE MESURE AU MOYEN D’UN SONAR ORIENTABLE EN AZIMUT ET EN PROFONDEUR DESCENDU DANS LA CAVERNE PLEINE DE SAUMURE PRÉCISION 1 À 2% SUR LE RAYON POUR UNE FORME CONVEXE ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 17
ETREZ 53, STORENGY 8 COUPES SUPERPOSÉES FORME REMARQUABLEMENT AXI-SYMÉTRIQUE PRÉSENCE D’UN BANC D’ANHYDRITE (INSOLUBLE) À 920 M RAYON DÉCROISSANT EN MONTANT OBTENU PAR POSITIONNEMENTS SUCCESSIFS DE L’INERTE 18 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
UNE CAVITÉ DE STORENGY (GAZ NATUREL) À ETREZ (AIN) ON ENTRE LE GAZ PAR L’ANNULAIRE EXTÉRIEUR 19 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
FORMES INHABITUELLES a c a. WEST HACKBERRY, La, φ = 360 M b. H = 600 M c. MULTI-CAVITÉS ; b PRÉSENCE DE SELS DE K ET Mg TRÈS SOLUBLES 20 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 21 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
TROIS TYPES DE PRODUITS TROIS FAMILLES DE CAVITÉS 22 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
LES HYDROCARBURES SONT SURTOUT COMPOSÉS D’ALCANES n = 1 : CH4 (méthane) n = 2 : C2H6 (éthane) ALCANES n = 3 : C3H8 (propane) n = 4 : C4H10 (butane) n = 5 : C5H12 (pentane) n = 6 : C6H14 (hexane) etc. 3n + 1 Cn H 2 n + 2 + O2 → n CO2 + (n + 1) H 2O + ∆h 2 23
P LIQUIDE ρ / ρ0 = 1 + β ( P − P0 ) − α (T − T0 ) P1 ISOTHERME P2 v l GAZ P = ρ rT P3 V P1 P2 P2 P3 24
P LIQUIDE ρ / ρ0 = 1 + β ( P − P0 ) − α (T − T0 ) À TEMPÉRATURE ORDINAIRE, P1 BIPHASIQUE GAZ LE GAZ NATUREL EST v P = P0 l P = ρ rT STOCKÉ GAZEUX P2 P3 T = Cste V LES GPL, BIPHASIQUES P1 P2 P2 P3 LE PÉTROLE, LIQUIDE 25
GEOSTOCK (A. RÉVEILLÈRE) 1 M3 = 6 BBLS 1 BBL = 40 À 100 $ 26 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
STOCKAGE DE GAZ ‘’BOUTEILLES » ENTRE Pmin ET Pmax (PV = mrT) STOCKAGE DE LIQUIDES ET LIQUÉFIÉS PAR « BALANCEMENT » P(MPa) = 0,012 Z(m) PRODUCTION SAUMURE DÉFRUITEMENT MAXIMAL P(MPa) = 0,012 Z(m) 27 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 IFPen 12 mars 2020
Station du stockage de liquides (10 millions tonnes) à Manosque (Haute Provence) GEOSTOCK 28 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Stockage de Gaz naturel et GPL À Markham (TX) (Mc Cartney, 2002) Stockage de Markham, Texas. McCartney et al., 2002 29 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Gaz Gaz naturel Hélium Air comprimé Hydrogène Liquides Brut Naphta Essence Kérosène Liquéfiés Propane Butane Super critiques Éthylène Propylène CO2 ? 30 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 IFPen 12 mars 2020
Stockage de Gaz naturel à Etrez, Ain (Storengy) 31 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 Etrez ?
STOCKAGE DE GAZ ‘’BOUTEILLES » ENTRE Pmin ET Pmax (PV = mrT) STOCKAGE DE LIQUIDES PAR « BALANCEMENT » P(MPa) = 0,012 Z(m) PRODUCTION SAUMURE DÉFRUITEMENT MAXIMAL P(MPa) = 0,012 Z(m) Fond de carte : G. Friès, 1976 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 32
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 33 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
LES CAVERNES D’EXPLOITATION DE SAUMURE RECHERCHENT LE TAUX D’EXTRACTION MAXIMAL, DONC LE RATIO DIAMETRE / PROFONDEUR LE PLUS ÉLEVÉ PARFOIS, LE DIAMÈTRE DEVIENT TROP GRAND … 34
Cargill Sinkhole Kanasas Haoud Berkaoui Algeria Bayou Corne Louisiana EXPLOITATIONS DE SAUMURE EXEMPLES DE CRATÈRES Denver, Texas Cerville, France Panning Sinkhole GRAND Kanasas RAPPORT La R ape France Bucurali DIAMÈTRE Russia / PROFONDEUR Gellenoncourt France 35 35 IFPen 12 mars 2020
Cargill salt plant, Hutchinson, Kansas, 1974. Some 14 hrs after the collapse, the sinkhole diameter was 200 ft. 36 (Photograph by Hutchinson News, October 21, 1974.)
LE CYLINDRE AU-DESSUS DE LA CAVERNE EST SOUMIS : - À SON POIDS - À LA PRESSION DE SAUMURE - AUX CISAILLEMENTS SUR LE POURTOUR, BORNÉS PAR UN CRITÈRE DE COULOMB τ(z) < C + tgφ . γz SH (γ R − γ B ) = P(CH + tgϕγ R H 2 / 2) (LE POIDS EST PROPORTIONNEL À LA SURFACE DU CONTOUR S P LA RÉSULTANTE DES CISAILLEMENTS SUR LE POURTOUR À SON PÈRIMÈTRE 37 LA FORME DU CYLINDRE INSTABLE EST OBTENUE POUR LE MAXIMUM DE S/P)
Guatemala City Haoud Berkaoui (volcano ash)) Algeria Great Blue Hole Belize The circular shape maximizes Denver the ratio weight/shear Texas Cerville strength, i.e.,the ratio France area/perimeter. (« Dido’s problem ») Bucourouli Gellenoncourt La Rape Russia France France 38
GROUND LEVEL STABLE R UNSTABLE R Cerville Haoud Berkaoui Huntorf 1 000 m SAUMURE ( γ R -P f l / H ) R Kiel < GAZ 2 C + γ R H tg φ 2 000 m Eminence H 39
MÉCANIQUE UN CAS EXCEPTIONNEL: BAYOU CORNE 40
On August 3, 2012, a sinkhole was discovered in CB& the swamp near Bayou I Corne, Louisiana. The sinkhole was related to Oxy3, an elongated axisymmetric cavern which, as established by a 2007 sonar survey, had a height of 2200 ft. Cavern radius was 100 ft near the cavern roof at a 3395-ft UN CAS depth. EXTRAORDINAIRE 41
LES SÉDIMENTS ACCUMULÉS LE LONG DU FLANC DU DÔME 5000 ft S’ÉCOULENT VERS LA BRÈCHE OUVERTE AU FOND DE LA CAVERNE QU’ILS REMPLISSENT PROGRESSIVEMENT 42
FROM TIME TO TIME, SINKHOLE BOTTOM SLID 43 TO THE BREACH AT THE CENTER OF THE SINKHOLE
MÉCANIQUE 2. LES DÉSORDRES LOCAUX 44
DES CHUTES DE TOIT ONT ÉTÉ OBSERVÉES DANS QUELQUES CAVERNES LES 4 CONDITIONS SUVANTES ÉTAIENT REMPLIES 1. TOIT DE GRANDE PORTÉE 2. TOIT RELATIVEMENT PLAT 3. TOIT DU SEL FEUILLETÉ 4. PRESSION TRÈS BASSE a) Kiel K 101 (Röhr, 1974) b) Regina South n° 5 (Crossley, 1998) c) Jintan JK-A (Wang et al., 2018), →AVANTAGE DE LA d) Oneok n° 1128 (Johnson, 2003). FORME CONIQUE ! 45
LES CHUTES DE BLOCS SONT FRÉQUENTES ET NE POSENT PROBLÈME QUE SI ELLES SONT MASSIVES QUELQUES MÉCANISMES : CHANGEMENT DE POUSSÉE D’ARCHIMÈDE LORS DU REMPLISSAGE EN GAZ ZONES « ANORMALES » DANS LES DÔMES (INTERFACES ENTRE a) Lille Torup T0 6 test (Rokahr et al, 2007) SPLINES) b) Huntorf NK1 (Quast, 1983) c) Markham Hiltpold 4 (McCartney et al., 2012) d) Big Hill 103 (Munson et al., 2004). 46
75 000 m3 47 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 48 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
MÉCANIQUE 3. POURQUOI LES CAVERNES SE REFERMENT TOUJOURS 49
STOCKAGE DE GAZ ‘’BOUTEILLES » ENTRE Pmin ET Pmax (PV = mrT) STOCKAGE DE LIQUIDES PAR « BALANCEMENT » P(MPa) = 0,012 Z(m) PRODUCTION SAUMURE DÉFRUITEMENT MAXIMAL P(MPa) = 0,012 Z(m) 50
• (b) PLUSIEURS CAS DE FERMETURE RAPIDE (FLUAGE) SONT CONNUS (a) (> 1% PAR AN) (c) ., PRESQUE TOUJOURS : a) Eminence Salt Dome 1 (Serata and Cundey, 1979); PROFONDEUR > 1300 m b) Tersanne TE02 (Hévin et al., 2007) PRESSION INTERNE FAIBLE (STOCKAGE GAZ) c) Kiel K 101 test (Röhr, 1974) (d) d) Markham 5, (Cole, 2002). 51
52 LE SEL EST UN LIQUIDE VISQUEUX ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
ESSAIS DE FLUAGE t DANS UNE GALERIE SOUTERRAINE +/- 0,01°C ε ON MESURE LA DÉFORMATION UNE CHARGE EST CUMULÉE AU COURS DU TEMPS MAINTENUE CONSTANTE PLUSIEURS MOIS 53 AU LABORATOIRE (MINES DE PARIS) ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
t ε el = σ / E ε ss = A(T )σ nt ε *tr = KecT σ m ε εɺ tr (t ) + χ (ε tr (t ) − ε *tr ) p = 0 σɺ εɺ = + Aσ + εɺ n tr E 54
SALT IS A VISCOUS, log ε ɺ ss NON-NEWTONIAN THERMO-SENSITIVE LIQUID εɺ = A(T )σ ss n σ < 3 MPa, 15°C η salt = 1017 Pa ⋅ s log σ ηhoney = 10 Pa ⋅ s 1 55 Exposé LMS 7 mars Herchen et al. (2018), IX Conf. Mech. Beh. Salt.
CONSÉQUENCES POUR UNE CAVERNE - CALCUL DE LA PERTE DE VOLUME - ÉTAT DE CONTRAINTES DANS LE MASSIF, COMPARÉ À UN CRITÈRE DE RUPTURE 56 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
Vɺc / V −4 (10 / yr ) t 57 Manivannan and Berest, 2008, RMRE 57 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
À MOYEN ET LONG TERME, LE SEL SE COMPORTE COMME UN LIQUIDE VISQUEUX, NON NEWTONIEN, THERMOSENSIBLE. TOUTE CAVERNE SE FERME, RAPIDEMENT QUAND ELLE EST PROFONDE LE CALCUL DES CONTRAINTES EST COMPLEXE L’EXEMPLE QUI SUIT REPRÉSENTE LA TRAJECTOIRE DES CONTRAINTES EN UN POINT DANS UN PLAN CISAILLEMENT – CONTRAINTE MOYENNE (PLAN DU CRITÈRE DE COULOMB) BIEN ADAPTÉ À L’ANALYSE DE L’APPARITION DE LA RUPTURE 58
τ ETAT DE CONTRAINTE 3 Pm 59 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
BENOÎT BROUARD 60
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 61 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
SHUT-IN TESTS pɺ
SHUT-IN TESTS pɺ Etrez (01) 63 Exposé LMS 7 mars
PEU PROFONDE 25 000 Pa/jour 47 Pa/jour P Etrez (Storengy, 1350 m) Gellenoncourt (CSME, 250 m) 65 000 Pa/jour 550 Pa/jour Hauterives (1600 m) Stassfurt (Bannach & Klafki, 600 m) β Pɺcav = A * (T ) ( Pgéo − Pcav ) n + (α Tɺ ) 21 000 Pa/jour TRÈS ≈ 1 000 000 Pa/jour? PROFONDE 64 MIG Ecole des mines 13.11.2018 Mont Belvieu (Van Sambeek) Vauvert (Kem One, 2000 m)
pɺ pɺ atm < 0 GELLENONCOURT βVc vcreep p(t) qcr = 0.9×10−5 / yr (3×10−13 /s) qcreep Exposé LMS 7 mars 65
A VERY SENSITIVE BAROMETER … WHICH WORKS PERFECTLY WHEN IT IS pɺ PLUGGED! pɺ atm
A VERY SENSITIVE BAROMETER … pɺ a tm pɺ a tm ν − 1 − ν pɺ a tm 0 0 ν 0 − pɺ a tm 0 1−ν vɺ = − βp ɺ∞ a Vtm pɺ a tm 0 0 67− pɺ a tm Exposé LMS 7 mars
CAS D’UNE SPHERE −δ pa 0 0 δ Vc 3(1 − v ) −δ pa =− δ P∞ 0 0 Vc 2E 0 − δ p a 0 isotrope 0 0 0 δ Vc (1 − v ) 0 −δ pa 0 =− δ P∞ 0 0 Vc 2E 0 uniaxial ν − 1 − ν δ pa 0 0 ν δVc (1 − v) ν 0 − δ pa 0 =− (1 + 2 )δ P∞ 1−ν Vc 2E 1− v 0 0 −δ pa 68 Exposé LMS 7 mars oedométrique
A VERY SENSITIVE BAROMETER … pɺ a tm pɺ a tm δ Vc = βδ Patm − β ∞δ Patm Vc pɺ a tm 69 Exposé LMS 7 mars
UN MARÉGRAPHE 70 Exposé LMS 7 mars
10 jours 20 périodes 71 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
pɺ 10 jours 20 périodes qcreep ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021 72
Marées océaniques Jeudi 7 mars 2019, Marées à l’Aber W’rach, Finistère Heure Hauteur Coefficient Marées terrestres BM 00:42 1.29 --- PM 06:34 7.54 88 ∆R =1 m ε =10−8 −10−7 BM 12:57 1.22 --- 73 Exposé LMS 7 mars PM 18:51 7.46 88
Vendredi 8 mars 2019, Marées à l’Aber W’rach, Finistère Heure Hauteur Coefficient BM 00:42 1.29 --- PM 06:34 7.54 88 BM 12:57 1.22 --- PM 18:51 7.46 88 74 Exposé LMS 7 mars
Earth Tides First Period is 12 h 25 minutes (instead of 12 h = 1 day period / 2) 1st Earth Tide Period is T = 12 h 25 minutes (instead of 1 day / 2) As Moon rotation around the Earth has a 28-dayperiod 75 Exposé LMS 7 mars
LUNE e MP e ML g( M ) = G Ω PM r dm ( P ) + G M moon LM 2 TERRE δg (λ + µ ) grad trδε + µ∆δε + ρδ g = 0 δσ ( R) = λ trδε n + 2µδε ⋅ n = 0 δε = (gradδ M+ gradδ M)/2 τ M P 2e MP (δ M − δ P ) 2e ML ⋅ δ L δ g( M ) = G − 3 dm ( P ) − G M moon 3 Ω PM LM 76 Exposé LMS 7 mars 14 %
« ce qui fait qu’on croit tant de faux effets de la lune c’est qu’il y en a de vrais » Blaise Pascal, Pensées, 1678 77
Le sel dans le sous-sol Lessivage Trois familles de cavernes Mécanique : Rupture fragile Mécanique : Fluage Mécanique : un essai in situ L’avenir des cavernes 78 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
LE FUTUR DES CAVERNES • STOCKAGE D’HYDROCARBURES • STOCKAGE DE MASSE DE L’ELECTRICITÉ DANS LA PERSPECTIVE DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE 79
CAES CAES: DEUX STOCKAGES D’AIR COMPRIMÉ HISTORIQUES (À HUNTORF ET McINTOSH) TYPIQUEMENT, CYCLE JOURNALIER 4,7-7 MPa ; 340 000 M3 ; 250 MW PENDANT 4H ; RENDEMENT 50% ET 70% DANS LA VERSION ADIABATIQUE ATTRACTIF POUR DES APPLICATIONS LOCALES 80 [Dans 1 m3 de cavité, l’énergie mécanique contenue est faible en comparaison de CH4)
HYDROGÈNE 3n + 1 Cn H 2 n + 2 + O2 → n CO2 + (n + 1) H 2O 2 L’hydrogène est envisagé comme vecteur d’énergie pour la transition énergétique . Il serait obtenu par électrolyse de l’eau. 6 cavités historiques de stockage, UK et Texas, pour usages industriels Les sujets de recherche : - Matériaux pour le puits et la tête de puits - Etanchéité du stockage - Comportement mécanique sous cycles 81
QUESTIONS ? 82 ECOLE DES PONTS ET CHAUSSEES 11 JANVIER 2021
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