• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2025ULILN004
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 28/03/2025

Résumé en langue originale

Les hydrates de gaz naturel (NGH) sont des structures cristallines où des molécules de gaz sont piégées dans des cages formées par des molécules d'eau sous des conditions de basse température et de haute pression. On les trouve principalement dans les sédiments marins et les régions de pergélisol. Grâce à leur densité énergétique élevée et leurs vastes réserves, les NGH sont considérés comme une ressource énergétique durable prometteuse. Cependant, leur métastabilité, dépendante de conditions spécifiques d'équilibre de phase, les rend susceptibles de se décomposer sous perturbation, entraînant des risques de catastrophes géologiques sous-marines et d'émissions de gaz à effet de serre. Pour une récupération sûre et efficace, il est essentiel de comprendre comment les NGH influencent les propriétés géomécaniques des sédiments hôtes. Les études en laboratoire, impliquant des tests physico-mécaniques sur des sédiments synthétiques contenant des hydrates de gaz (GHBS), permettent d'analyser le milieu multiphasique hydrate-sédiment-fluide. Ce travail, basé sur la littérature existante, décrit systématiquement les caractéristiques physico-mécaniques des GHBS et examine leurs réponses sous divers facteurs, tels que la saturation, la morphologie, la distribution et la dissociation des hydrates. Les modèles constitutifs actuels, utilisant des équations mathématiques, simulent le comportement géomécanique des GHBS en prenant en compte des aspects tels que le renforcement de la résistance, la dégradation des liaisons, la dilatation, le ramollissement par déformation et la dissociation des hydrates. Cependant, ces modèles intègrent rarement les effets thermiques, l'anisotropie des matériaux et les formes complexes de surface de rupture. Ce travail classe les modèles existants en cinq catégories : Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Duncan-Chang, état critique et fluage. Les avantages, limitations et perspectives futures de chaque modèle sont analysés, avec une attention particulière au modèle d'état critique, qui offre une caractérisation relativement complète des GHBS. Néanmoins, des lacunes subsistent, notamment en ce qui concerne l'anisotropie due à la structure en couches et à la distribution des hydrates, ainsi que l'hypothèse d'une seule forme de surface de rupture, limitant leur application dans des conditions complexes. Pour combler ces lacunes, ce travail propose un modèle constitutif élastoplastique basé sur la théorie HISS dans le cadre de l'état critique. Ce modèle permet d'ajuster la forme de la surface de rupture par des paramètres modulables, tout en intégrant les changements de volume et les effets anisotropes associés à la dissociation des hydrates. La validation par des comparaisons entre calculs numériques et données expérimentales confirme l'efficacité de ce modèle pour reproduire le comportement mécanique des GHBS. Ce modèle ouvre des perspectives prometteuses pour des stratégies d'exploitation plus sûres et des avancées méthodologiques dans la recherche sur les NGH.

Résumé traduit

Natural gas hydrates (NGH) are crystalline structures where gas molecules are trapped within water molecules under low temperatures and high pressures. They are widely found in marine sediments and permafrost regions. Due to their high energy density and vast reserves, NGH are considered a promising sustainable energy resource. However, NGH are metastable substances that are stable under specific phase equilibrium conditions, with the decomposition of which once suffer from any disruptions. The potential instability of sediment reservoirs exposed during the recovery of NGH accompanied by hydrate decomposition due to this inherent property, which trigger submarine geological disasters. Also, the dissociated products of NGH are the sources of greenhouse gases. Therefore, the safe and effective recovery of NGH necessitates a deep understanding of how their presence affects the geo-mechanical properties of host sediments.Laboratory studies are the prerequisite for understanding the multiphase medium of hydrate-sediment-fluid, which involve the physical-mechanical testing of cores or artificially synthesized gas hydrate-bearing sediments (GHBS). Hence, building upon the literature on thermal-hydraulic-mechanical properties of GHBS, this work systematically describes the physical-mechanical characteristics of GHBS and analyzes their mechanical responses under various factors through extracting relevant data, with an emphasis on how hydrates contribute to the mechanical behavior of host sediments and the driven underlying mechanisms (hydrate saturation, hydrate morphology, hydrate distribution, hydrate dissociation). Current constitutive modelling researches simulate the geo-mechanical behavior of GHBS via mathematical equations, including the enhancement of strength and stiffness by hydrates, bonding degradation, dilation, cohesion, strain softening, volume change, and hydrate dissociation, with few involving thermal effect, yield surface shape, and material anisotropy. Through the analysis of different theoretical frameworks, this work categorizes the existing constitutive models for GHBS into five types: Mohr-Coulomb criterion-based model, Drucker-Prager criterion-based model, Duncan-Chang model, critical state model, and creep model. Each model's strengths, limitations, and areas for future research are critically evaluated, with a particular focus on the critical state model, which provides a relative comprehensive characterization for GHBS. The above discussion reveals that existing models fail to adequately address the anisotropic characteristic.However, due to the layered structure, particle arrangement, and diverse hydrate content distribution in natural settings, the mechanical properties of GHBS often exhibit significant anisotropy. Furthermore, most models assume a single yield surface shape, limiting their application to more complex yield conditions. Given these shortcomings, this work proposes a new elastoplastic constitutive model based on HISS theory within the critical state framework, which can adjust the yield surface shape through parameter modifications, allowing it to account for volumetric changes and anisotropic effects during hydrate dissociation. The comparison between the numerical calculations and experimental data validates the model's effectiveness and accuracy in reproduce the mechanical behavior of GHBS, offering insights for future exploitation and research methodologies.