Cinétique de formation d’hydrate de CO₂ en milieu poreux en conditions de stockage géologique

Cette étude propose une investigation expérimentale multi-échelle de la formation, de la propagation et de la dissociation des hydrates de CO₂ allant de l’échelle du pore via la microfluidique jusqu’à l’échelle sédimentaire dans un systèmes de type coreflood, pour le stockage géologique du CO₂. En microfluidique, deux micropuces aux géométries distinctes ont été utilisées: une puce de géométrie serpentine, permettant la génération et l’observation de multiples gouttelettes et bulles de CO₂, et une puce à pièges intégrant 70 compartiments connectés en série pour immobiliser des gouttelettes dans des conditions contrôlées statiques et dynamiques de CO₂. L’apparition des cristaux, leur croissance et la propagation de la cristallisation ont été étudiées avec du CO₂ gazeux et liquide. Avec la puce serpentin, l’influence de la salinité de l’eau a été étudiée pour des concentrations en NaCl de 10, 33, 100 et 220 g/L en conditions statiques. La nucléation des hydrates a été analysée dans une série de bulles/gouttelettes de CO₂. Les températures seuils de cristallisation ont été déterminées pour le CO₂ liquide (à 50 bar) et le CO₂ gazeux (à 15 bar) à différentes salinités. Les expériences menées avec la puce à pièges se sont concentrées sur la nucléation dans des gouttelettes d’eau exposées à un flux dynamique de CO₂ (4 à 40 mL/h). Elles ont été complétées par des tests additionnels en conditions statiques ainsi qu’avec des flux dynamiques de CO₂ et d’eau. Dans les deux configurations, le caractère stochastique de la nucléation a été étudié. Plutôt que des événements indépendants de nucléation dans chaque gouttelette ou bulle, une propagation de la cristallisation des hydrates a été fréquemment observée : la cristallisation se propageant en cascade le long des parois du capillaires hydrophiles. Ces résultats offrent des éclairages à l’échelle des pores, directement transposables à la compréhension de la formation des hydrates dans des milieux poreux de plus grande échelle. À l’échelle des sédiments (coreflood), des expériences d’injection dynamique de CO₂ au travers d’un massif de sable saturé en eau ont été réalisées dans une cellule équipée de capteurs de pression et de pression différentielles, de dispositifs de contrôle de débit et d’imagerie CT scan ex-situ. Deux tests réalisés sur des milieux présentant une porosité et une perméabilité similaires ont montré que des différences de procédures — telles que la réalisation ou non d’une étape de pré-drainage et des variations du débit d’injection de CO₂ — influencent de manière significative la cinétique de formation des hydrates. Dans les deux cas, une formation rapide des hydrates a été observée. Elle est suivie d’une évolution dynamique du système conduisant à des phases de réactivation de la formation d’hydrates. Bien que les mêmes différentes phases aient été identifiées dans chaque test, leur chronologie a varié de façon notable. Dans les deux expériences, la formation initiale d’hydrates s’est produite rapidement, malgré des différences marquées de durée. Cette approche multi-échelle établit un lien entre les processus de formation d’hydrates observés en microfluidique à l’échelle du pore et ceux mis en évidence dans des sédiments poreux, fournissant des éléments essentiels pour la compréhension de la nucléation et de la croissance des hydrates. Ces résultats contribuent à approfondir la connaissance des dynamiques de formation/croissance des hydrates de CO₂ dans des conditions représentatives du stockage souterrain et offrent une base expérimentale pour la conception et l’évaluation de stratégies de séquestration géologique du CO2.