Simulation Numérique des Processus du Transport Reactif dans les aquifères : Applications aux Problèmes Environnementaux et de Stockage Géologique du CO2
Résumé
Les derniers rapports de l'ONU et de l'IPCC dressent un bilan alarmant des possibles conséquences des changements climatiques, principalement liées aux taux des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, sur la disponibilité des ressources en eau souterraines à l'échelle planétaire. Une forte demande de compréhension par la simulation numérique des processus d'écoulement, de transport, et des transferts géochimiques dans les aquifères émerge ainsi les dernières années. La nature des enjeux pour les divers métiers des géosciences de demain est capitale. Ces processus sont assez souvent fortement couplés entre eux, nécessitent un effort plus marqué de conceptualisation pour leur modélisation, et la mise en oeuvre des techniques de résolution performantes. Dans un premier volet, nous exposons un bilan des avancées réalisées dans ce domaine au cours des dix dernières années au niveau théorique, conceptuel, et numérique. Les différentes classes de méthodes numériques sont ainsi synthétisées et comparées sur des exemples réels mais pédagogiquement simplifiés. L'accent est mis sur les méthodes numériques de couplage entre les processus de transport et de la géochimie réactive : la méthode séquentielle non itérative, séquentielle itérative, et totalement implicite par substitution directe des équations des réactions géochimiques dans celles du transport multi-composant. Plusieurs résultats d'applications sur des cas d'étude émanant d'un contexte Européen et International sont exposés. En particulier, nous discutons les adaptations théoriques et numériques nécessaires pour la simulation des processus du transport réactif associé à une densité variable et des solutions électrolytiques très salées, ainsi que le type des applications attendues. Nous signalons les défis qui restent à lever au niveau fondamental, pratique et numérique pour un traitement unifié des processus du transport réactif dans un contexte d'écoulement polyphasé. Dans un deuxième volet, nous exposons des résultats récents associés à la déstabilisation des processus du transport par l'hétérogénéité inhérente de la formation saline d'un hypothétique stockage géologique profond du CO2. A l'échelle centimétrique de la carotte, cette déstabilisation constitue un fort enjeux pour l'injectivité de la phase CO2 à des pressions élevées et la stabilité de la roche au proche puits. Dans les carbonates, nous montrons les étapes du développement d'un simulateur de transport réactif mettant en jeux le phénomène du 'wormholing' dépendant simultanément de la vitesse d'injection et des cinétiques des réactions prépondérantes. Dans les formations gréseuses, nous montrons les premiers résultats de simulations numériques couplant les processus de dépôts de sels, suite à l'assèchement du milieux par l'injection du CO2 anhydre, et le transport particulaire de ces dépôts, amenant à une redistribution de la porosité et de la perméabilité dans la zone proche du puits. Finalement, à une plus grande échelle, nous discuterons le problème de la mise à l'échelle du transport multiphasique dominé par l'ascension gravitaire d'une bulle supercritique du CO2 dans un milieu fortement hétérogène et comment les avancées récentes sur les méthodes multi échelles peuvent impacter la qualité et la robustesse des simulations prédictives en géosciences les prochaines années.