Comptes Rendus. Géoscience, Tome 352 (2020) no. 2, pp. 115-126.
Zhiwei Cui ; Xinli Lu ; Jialing Zhu ; Wei Zhang
L'étude expérimentale décrite ici est la plus grande simulation à l'échelle du laboratoire, à ce jour, des processus de dégazage qui se produisent en raison de la dissolution du CO2 dans l'eau, comme cela s'est produit de manière catastrophique au lac Nyos au Cameroun (Afrique) en 1984 et 1986. Bien que peut-être rares, ces éruptions limniques sont mortelles. Nos travaux fournissent les données de laboratoire nécessaires aux simulations de ces événements. Plus précisément, nous examinons les conditions de sursaturation du CO2 requises pour le dégazage, et les délais correspondant à la nucléation et à la croissance des bulles.
Une éruption limnique provoquée par le CO2 est une éruption explosive qui se produit dans de grands volumes d'eau stagnante avec une solution de CO2. Habituellement, ces solutions restent au fond d'un lac, mais en 1986, une quantité massive de CO2 a été libérée du lac Nyos en très peu de temps. Cette catastrophe a causé la mort de plus de 1700 personnes et le gaz CO2 libéré s'est écoulé en bas de la colline vers le village situé à environ 26 km du lac [Kling 1987]. Deux ans plus tôt, en 1984, une catastrophe similaire s'était produite au lac Monoun (Cameroun), causant la mort d'environ 40 personnes [Sigurdsson et al. 1987]. De nombreux chercheurs s'accordent à dire que l'exsolution rapide du CO2 des lacs est la principale raison des éruptions à l'origine des catastrophes [Kerr et al. 1987 ; Kling et al. 1987 ; Zhang et al. 1996]. L'hypothèse a été émise que le CO2 s'est échappé dans le lac par les fissures des roches environnantes et s'est ensuite dissous dans l'eau [Schmid et al. 2004]. Après une longue période de temps, la concentration de CO2 dans l'eau a atteint un niveau relativement élevé. Une éruption peut avoir été déclenchée par des facteurs déstabilisants tels qu'un glissement de terrain ou de fortes pluies [Tassi et Rouwet 2014], provoquant un déplacement de la solution de CO2 vers le haut et sa sursaturation en raison de la diminution de sa pression hydrostatique. Dans ces deux situations, d'énormes quantités de gaz CO2 avec des gouttelettes d'eau entraînées ont fait éruption dans le lac et ont provoqué des catastrophes mortelles.
Le risque de fuite de CO2 doit être examiné avec soin en raison du développement, ces dernières années, de la technologie du CSC (captage et stockage du dioxyde de carbone), en particulier de la technologie de séquestration du CO2 à l'aide de réservoirs géologiques [Benson et al. 2002 ; Butt et al. 2012 ; Kim et al. 2018 ; Proust et al. 2016]. La technologie CSC signifie qu'une énorme quantité de CO2 serait stockée dans des formations géologiques dans les champs de pétrole et de gaz. Une fois que des fuites de CO2 se produisent dans ces réservoirs, il existe des possibilités de fuite de saumure de CO2 par des failles. La saumure peut migrer et éventuellement atteindre les eaux proches de la surface, ce qui pourrait entraîner une éruption [Jung et al. 2015 ; Lewicki et al. 2007 ; Shipton et al. 2005]. Des études relatives aux éruptions limniques ont également été menées récemment. Hirslund et Morkel [2020] ont étudié le lac Kivu, l'un des Grands Lacs africains. Ils ont analysé les paramètres liés à la sécurité pour une gestion durable et à long terme de l'extraction du gaz afin d'éviter que le lac n'entre en éruption à l'avenir. Sánchez-España et al [2020] ont étudié une application de dégazage artificiel pour un cas d'accumulation de CO2 au fond d'un lac à ciel ouvert provenant d'une mine en Espagne. Afin de prévenir une éruption limnique, plusieurs systèmes de dégazage ont été analysés et utilisés. Il a été constaté que les systèmes conçus pouvaient extraire avec succès la majeure partie du CO2 au fond du lac de manière contrôlée.
Les études sur la composition des eaux lacustres ont été menées pour la première fois après les éruptions lacustres catastrophiques au Cameroun. Kling et al (1989) avaient mesuré la quantité physique et la composition chimique du lac Nyos. Les résultats ont montré que la concentration de CO2 au fond du lac continue d'augmenter après l'éruption alors que la distribution de la température reste invariable. Giggenbach et al (1990) ont analysé la composante gazeuse dissoute dans le lac et ont proposé que plus de 24 tonnes de CO2 ont été rejetées d'une profondeur supérieure à 100 m pendant l'éruption. Evans et ses collègues (1993) ont conclu que le CO2 dissous dans le lac provient d'une fissure au fond du lac et que la concentration de CO2 sous la profondeur de 150 m augmente à une vitesse de 2,6 × 108 mol par an.
Des études sur l'utilisation de tuyaux de dégazage pour réduire la concentration de CO2 au fond du lac ont également été réalisées. Freeth et al (1994) ont proposé plusieurs plans sur la façon de réaliser le processus de dégazage dans des conditions contrôlées. L'un des moyens consistait à installer un ou plusieurs tuyaux verticaux qui relient le fond et la surface du lac. Une pompe était utilisée pour faire remonter l'eau du tuyau du fond à la surface jusqu'à ce que le processus de dégazage devienne stable et spontané. Ce système de dégazage a effectivement réduit la concentration de CO2 au fond du lac. En 1995, des ingénieurs français et suisses ont installé un tuyau vertical (200 m de long et 0,14 m de diamètre) dans le lac Nyos. Un mélange de gaz et d'eau s'est échappé de la sortie du tuyau et a atteint une hauteur de 21 m [Halbwachs et al. 2004]. Kling et al (2005) ont constaté que l'installation des tuyaux de dégazage a réduit la teneur en CO2 au fond du lac de 12 à 14 % après une longue période de fonctionnement. Deux tuyaux de dégazage supplémentaires d'un diamètre de 0,26 m ont été installés en 2011, ce qui a permis d'augmenter le taux d'élimination des gaz jusqu'à 1,2 Gmol par an [Kusakabe et al. 2017].
Des études sur la théorie de l'éruption ont été menées par plusieurs chercheurs. Zhang et al. ont analysé le mécanisme de l'éruption du lac provoquée par le CO2 et ont établi un modèle unidimensionnel en régime permanent pour calculer la vitesse maximale et la hauteur maximale que le mélange gaz-eau pourrait atteindre pendant l'éruption. Zhang et ses collègues (1997) ont étudié expérimentalement les processus dynamiques des éruptions provoquées par le CO2 en décompressant soudainement la pression dans un système de polymère CO2-H2O à petite échelle. Zhang et Kling [2006] ont également étudié les éruptions océaniques et les éruptions lacustres possibles, en utilisant un modèle unidimensionnel en régime permanent basé sur une analogie avec les mécanismes des éruptions volcaniques.
Bien que le modèle unidimensionnel en régime permanent puisse prédire la vitesse et la hauteur maximales d'une éruption, il ne peut révéler aucun processus "transitoire" d'éruption. Par conséquent, un modèle 3D à grande échelle est nécessaire pour étudier l'ensemble du processus, depuis le tout début de la formation des bulles, jusqu'à l'écoulement biphasique ascendant vigoureux, en passant par la fin des éruptions dynamiques. Pour ce faire, une étude expérimentale détaillée est nécessaire afin d'obtenir des corrélations entre les variables pour établir le modèle dynamique.
Dans le cadre de cette étude, un appareil expérimental, d'une échelle beaucoup plus grande que celle de l'étude précédente de Zhang et al (1997), a été conçu, installé et utilisé pour mesurer les paramètres clés des processus de dégazage dans différentes conditions de dépressurisation. Le diamètre du récipient de solution de CO2 est 100 fois plus grand que le diamètre moyen des bulles et réduit donc considérablement l'effet de paroi de la cuve sur le fluide. L'objectif de cette étude est d'obtenir expérimentalement les corrélations suivantes, utiles pour établir un modèle de simulation numérique transitoire : (1) la corrélation de la sursaturation de la solution de CO2 (ΔP) nécessaire au dégazage ; (2) la corrélation du délai (Δt) correspondant à la formation de bulles. De plus, les variations des quantités clés (fraction de vide, nombre de bulles et diamètre moyen des bulles) ont été analysées. Les fractions de vide mesurées de différentes manières de dépressurisation sont également étudiées et comparées.
Il y a 4 paires de fenêtres d'observation à différentes hauteurs autour du conteneur de solution de CO2, et chaque paire de fenêtres est placée face à face. Une source de lumière sur plaque est placée derrière une fenêtre et une caméra à grande vitesse est placée derrière la fenêtre opposée. Les capteurs de pression, les capteurs de température et le capteur de pH sont montés au fond de la solution de CO2. Des capteurs de pression sont également montés en haut du conteneur de la solution de CO2 ainsi qu'en haut de la cuve sous pression pour mesurer les pressions du gaz. La bouteille de CO2 est connectée au fond du conteneur de solution de CO2 ; le haut du conteneur de solution de CO2 est connecté à la cuve sous pression. La bouteille de N2 est raccordée au fond du récipient sous pression.
Les fonctions des différentes parties de l'appareil expérimental sont les suivantes : Le gaz CO2 s'écoule de la bouteille de CO2 (1) dans le récipient de solution de CO2 (15) et se dissout dans l'eau après avoir passé le diffuseur de gaz (9). La vanne d'entrée d'eau (4) et la vanne de sortie d'eau (7) sont utilisées pour contrôler respectivement le débit d'entrée et de sortie d'eau. Le capteur de température (8) est utilisé pour mesurer la température de la solution. Deux capteurs de pression (10 et 16) sont utilisés pour mesurer les pressions respectivement du bas et du haut du réservoir de solution de CO2 (15). Afin de mesurer le pH de la solution dans différentes conditions expérimentales, un capteur de pH (11) est également installé. Les 8 fenêtres d'observation (12) autour du conteneur transmettent la lumière et enregistrent l'image. La source lumineuse de la plaque (13) est utilisée pour éclairer les bords des bulles afin que la caméra à haute vitesse (14) puisse enregistrer les images plus clairement. L'écran liquide (17) est conçu pour empêcher les gouttelettes d'eau transportées par le gaz à grande vitesse de s'engouffrer dans la sortie du gaz. Le gaz CO2 qui sort de la solution s'écoule vers la sortie de gaz (20) après être passé par la vanne de sortie de gaz (19). Le gaz contenu dans le récipient sous pression (23) s'écoule vers la sortie de gaz (20) en passant par la vanne de sortie de gaz (21). La vanne de jonction (18) relie le récipient de solution de CO2 et le récipient sous pression. Le gaz N2 s'écoule de la bouteille de N2 (26) vers le récipient sous pression (23) par les vannes d'entrée de gaz (24 et 25). Le capteur de pression (22) est utilisé pour mesurer la pression dans le récipient sous pression (23). La bouteille de N2 (26) était principalement utilisée pour accélérer la vidange de la solution de CO2 dans le récipient (15) et pour sécher son intérieur après chaque mesure, ce qui était réalisé en ouvrant les vannes (18, 24 et 25) pour relier le récipient de solution de CO2 (15) et la bouteille de N2 (26) et donc pour augmenter la pression à l'intérieur du récipient de solution de CO2 (15).
Dans le système expérimental, figure 1(b), le récipient de solution de CO2 a une hauteur de 2000 mm et un diamètre extérieur de 325 mm. La hauteur réelle du niveau de liquide dans le récipient de solution de CO2 n'est que de 1560 mm, de sorte qu'il y a suffisamment d'espace au-dessus du niveau du liquide pour empêcher la solution de déborder pendant les processus de dégazage. Le volume du liquide dans le conteneur de solution de CO2 est d'environ 0,11872 m3 et le volume du gaz dans la cuve sous pression est d'environ 0,05376 m3. Les capteurs de pression ont une plage de mesure de 0 à 4 MPa avec une précision de 0,5%. Dans cette expérience, les processus de dégazage ont été mesurés pour des pressions allant de 0,1 MPa à 2,0 MPa (toutes les pressions mentionnées dans cette étude sont des pressions manométriques), correspondant à une profondeur d'eau allant de 10 m à 200 m. L'appareil expérimental est entouré de plaques de polycarbonate fixées sur un cadre en acier pour des raisons de sécurité.
Afin d'observer les différents phénomènes de dégazage et d'obtenir les corrélations souhaitées, les types de dégazage suivants ont été adoptés :
A. Dépressurisation avec une vanne complètement ouverte ;
B. Dépressurisation avec une vanne semi-ouverte ;
C. ΔP - mesure pendant le dégazage ;
D. Δt - mesure pendant le dégazage.
Le processus de dégazage A était le plus rapide qui pouvait être réalisé, et le processus de dégazage B a été utilisé pour la comparaison avec le processus A. Le processus C a été appliqué pour mesurer la sursaturation de la solution de CO2 (ΔP) nécessaire pour le dégazage. Le procédé de dégazage D a été utilisé pour mesurer le délai (Δt) correspondant à la formation de bulles. La figure 2 montre le changement de pression au fil du temps dans les quatre procédés de dégazage, avec une pression initiale de 1,0 MPa. Les procédures expérimentales détaillées des quatre processus de dégazage se trouvent dans l'annexe A.
Dans la série d'images de dégazage enregistrées sur la figure 3, la pression initiale était de 0,5 MPa, et le processus de dégazage a été déclenché par l'ouverture complète de la valve. Les images ont été enregistrées pendant 70 s après l'ouverture de la valve. La nucléation des bulles se produit peu après l'ouverture de la valve (figures 3(a), et (b)). Ensuite, le nombre de bulles commence à augmenter avec la croissance du diamètre des bulles (figure 3(c)). La distance entre les bulles reste faible à ce stade. Le diamètre des bulles continue à augmenter et la distance entre les bulles commence à augmenter légèrement (figure 3(d)). Ensuite, la vitesse de montée des bulles atteint une valeur maximale et le processus de dégazage devient violent (figures 3(e), et (f)). Les distances entre les bulles deviennent plus petites alors que le diamètre des bulles continue à augmenter (figure 3(g)). Enfin, le nombre de bulles diminue (figure 3(h)) ; de nombreuses bulles minuscules apparaissent et les diamètres des bulles commencent à diminuer.
Nous avons constaté que, bien que le taux de dépressurisation ait été élevé au début (figure 4), la fraction de vide est restée presque nulle pendant un certain temps au début (c'est-à-dire qu'aucune bulle n'est apparue immédiatement). Cela implique qu'il existe une sursaturation de la solution nécessaire au dégazage, et qu'il peut y avoir un délai pour la formation des bulles. Cette observation a motivé les enquêtes rapportées ci-dessous.
Comme le montre la figure 5, avec l'augmentation de la pression initiale de 0,1 MPa à 1,0 MPa, la sursaturation nécessaire au dégazage augmente de façon monotone de 0,025 MPa à 0,27 MPa, c'est-à-dire que plus la pression initiale est élevée, plus le degré de sursaturation est important. Cependant, lorsque la pression initiale est supérieure à 1,5 MPa, la sursaturation approche une valeur constante d'environ 0,35 MPa.
La corrélation entre la pression initiale et la chute de pression à la saturation (courbe d'ajustement de la figure 5) est \begin{equation} \tag{1} \Delta P=0.36564-\frac {0.33168}{1+({P}_{0}/0.73136)^{3.96091}} \end{equation} où ΔP et P0 sont en MPa. Le R-carré ajusté est de 0,9813.
Cette corrélation est basée sur les données expérimentales dans la plage de pression initiale : 0,1 MPa-2,0 MPa. Le logiciel, la catégorie d'ajustement et la fonction d'ajustement utilisés sont respectivement Origin®, Growth/Sigmoidal et Logistic/Slogistic1. Pour plus d'informations sur les erreurs d'ajustement, voir l'annexe B, tableau 1.
La figure 6 montre le délai (Δt) par rapport aux différentes pressions initiales, ainsi que la courbe d'ajustement correspondante. Comme on peut le voir, le délai est plus long lorsque la pression initiale est faible. Il atteint 20 s lorsque la pression initiale est de 0,1 MPa. Avec l'augmentation de la pression initiale, le délai devient plus court et finit par approcher 10 s environ lorsque la pression initiale est supérieure à 1,0 MPa.
La relation entre le délai Δt (en s) et la pression initiale P0 (en MPa) est la suivante : \begin{equation} \tag{2} \Delta {t}=9.33055+15.14538\ast 0.01755^{{P_{0}}} \end{equation} Cette corrélation est générée sur la base des données expérimentales dans les mêmes conditions que celles de la mesure ΔP, avec une plage de pression initiale = 0,1 MPa-2,0 MPa et T = 20 °C. Le R-carré ajusté est de 0,5760. De plus amples informations sur les erreurs d'ajustement sont présentées dans le tableau 2 de l'annexe B. Le logiciel, la catégorie d'ajustement et la fonction d'ajustement utilisés sont respectivement Origin®, Exponentiel et Asymptotique1.
La forte augmentation du nombre de bulles apparaît plus tôt que celle de la fraction de vide. Plus la pression initiale est élevée, plus le nombre de bulles est important. Lorsque la pression initiale est faible (0,1 MPa), comme le montre la figure 7(a), le nombre de bulles diminue de façon presque monotone après avoir atteint la valeur de crête. Mais lorsque la pression initiale est supérieure à 1,0 MPa, le nombre de bulles monte et descend plusieurs fois après sa valeur maximale. La dispersion des variables indiquées dans les figures 7(b), (c), (d) est principalement due à un grand changement (avec le temps) du volume des bulles mesuré à travers une petite fenêtre d'observation de l'appareil (c'est-à-dire mesuré à travers un petit corps à deux phases). Dans une fenêtre d'observation relativement petite, de nombreuses bulles sont apparues en un seul mouvement, mais elles ont disparu très rapidement par la suite. Ainsi, la fluctuation de la fraction de vide indiquée dans chaque figure pertinente est le reflet de ce phénomène. Selon la définition de la fraction de vide, il n'est pas non plus difficile de comprendre les dispersions des deux autres variables (diamètre moyen des bulles et nombre de bulles).
Les petites bulles qui se sont collées sur la paroi du récipient se sont élevées au début du processus de dégazage et ont produit des bulles de diamètre irrégulier pendant les 10 premières secondes. Le diamètre moyen des bulles atteint sa valeur maximale au bout de 20 à 30 secondes (figure 7). Ensuite, il continue à fluctuer et devient stable après 30 secondes. La pression initiale n'a pas d'influence évidente sur le diamètre moyen des bulles.
Nous avons également constaté que lorsque nous diminuons la pression, le nombre de bulles augmente d'un pas plus tôt que la fraction de vide, quelles que soient les conditions de pression initiale. Ce phénomène devient plus évident avec l'augmentation de la pression initiale. Comparé à la fraction de vide et au nombre de bulles, le diamètre moyen semble relativement stable dans la dernière étape du processus de dégazage lorsque la pression initiale est supérieure ou égale à 1,5 MPa (figure 7c, d).
Lorsque la pression initiale est faible (0,1 MPa), figure 8(a), les changements de la fraction de vide au fil du temps sont à peu près les mêmes dans les deux conditions du processus de dégazage, ce qui indique que les détails du dégazage ont moins d'influence sur les fractions de vide lorsque la pression initiale est faible.
Toutefois, lorsque la pression initiale est supérieure ou égale à 1,0 MPa, comme le montrent les figures 8(b) et 8(c), la fraction de vide correspondant aux processus de dégazage avec une vanne entièrement ouverte augmente plus tôt et plus rapidement que celle avec une vanne semi-ouverte. Cela montre que le processus de dégazage a une influence sur la fraction de vide lorsque la pression initiale est élevée. Cette influence devient plus importante lorsque la pression initiale est aussi élevée que 2,0 MPa, figure 8(d). La fraction de vide dans une condition de valve complètement ouverte est toujours plus importante que celle dans une condition de valve semi-ouverte pendant des périodes égales.
Les méthodes de contrôle des vannes (conditions de vanne complètement ouverte et semi-ouverte) utilisées dans les mesures ont été principalement conçues pour nous permettre de mener l'expérience avec une relative facilité. Le taux de chute de pression dans la condition de la valve complètement ouverte est plus élevé que dans la condition de la valve semi-ouverte. Bien que les conditions de vanne complètement ouverte et semi-ouverte puissent d'une certaine manière être liées aux scénarios de débit ascendant plus rapide et plus lent respectivement, nous avons trouvé qu'il était difficile de simuler expérimentalement les scénarios de dégazage du lac en utilisant un appareil expérimental aussi petit. Afin de déterminer les changements de régime d'écoulement dans un lac (y compris la distribution de la taille des bulles à différents moments et à différentes profondeurs du lac), nous réaliserons une simulation numérique dans le cadre de notre étude de deuxième phase afin d'étudier les scénarios de dégazage transitoire réels du lac sur la base des données expérimentales et des corrélations obtenues dans cette étude de première phase.
(1) Une corrélation entre la sursaturation ΔP (en MPa) nécessaire au dégazage et la pression initiale P0 est : \begin {equation*} \Delta {P}=0.36564-\frac {0.33168}{1+({P}_{0} /0.73136)^{3.96091}} \end {equation*} (Valable pour : pression initiale P0=0,1 MPa à 2,0 MPa ; température de la solution = 20 °C).
(2) Une corrélation entre le délai Δt (en s) correspondant à la formation de bulles et la pression initiale P0 est : \begin {equation*} \Delta {t}=9.33055+15.14538\ast 0.01755^{{P_{0}}} \end {equation*} (Valable pour : pression initiale P0=0,1 MPa à 2,0 MPa ; température de la solution = 20 °C).
(3) La pression initiale n'a pas d'influence évidente sur le diamètre moyen des bulles. Plus la pression initiale est élevée, plus la valeur de pointe de la fraction de vide est importante. Le nombre de bulles change toujours un pas plus tôt que la fraction de vide, quelles que soient les conditions de pression initiale.
(4) La méthode de dépressurisation pour le dégazage a moins d'influence sur les fractions de vide lorsque la pression initiale est faible. L'influence devient évidente lorsque la pression initiale est supérieure ou égale à 1,0 MPa.
Ces expériences ont contribué à notre compréhension des processus de dégazage du CO2 en termes de sursaturation du CO2 nécessaire au dégazage, et des temps de retard correspondant à la nucléation et à la croissance des bulles. Si elles sont intégrées dans des simulations numériques des processus d'éruption des lacs provoqués par le CO2, notre compréhension du dégazage dans la nature sera grandement améliorée.