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RÉSUMÉ
Les hydrates de méthane sont des composés solides d'eau et de méthane stables sous certaines conditions de pression et de température que l'on rencontre naturellement dans les zones arctiques et antarctiques (basse température) ainsi que dans les zones d'offshore profond (forte pression). Ces hydrates de méthane constituent un stock important de méthane (estimé entre 2 500 et 8 500 milliards de tonnes), hérité en partie des dernières glaciations. Ils sont étudiés pour leur effet potentiel sur le réchauffement climatique en cas de déstabilisation naturelle ou anthropique, le pouvoir de réchauffement global du méthane étant supérieur à celui du CO2. On peut aussi les considérer comme une source potentielle de gaz naturel dont la demande mondiale devrait augmenter durant les prochaines décennies.
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Roland VIALLY : Géologue Direction géosciences, IFP Énergies nouvelles, Rueil-Malmaison, France
INTRODUCTION
La première découverte des hydrates de gaz date du début du XIXe siècle, lorsqu’en mélangeant de l’eau et du chlore, le physicien et chimiste Humphrey Davy décrit un composé solide au-dessus de 0 °C. Ces travaux seront ensuite poursuivis par Michael Faraday. L’intérêt porté à ces composés entre alors dans le cadre de la recherche fondamentale portant sur l’identification de leur composition.
Dans les années 1930, pendant l’essor de l’industrie pétrolière et gazière aux États-Unis, les hydrates de méthane sont détectés comme pouvant obstruer les gazoducs. Les recherches se tournent alors vers l’étude de la formation des hydrates et les moyens de les éviter dans les pipelines. Depuis quelques années, les hydrates de méthane, notamment ceux présents dans le sous-sol, font de nouveaux l’objet d’importantes études dans des domaines très divers.
– Le rôle de ces hydrates de méthane dans les cycles climatiques. Lors des glaciations, du méthane est stocké sous forme d’hydrates de méthane qui peut être relâché dans l’atmosphère lors des périodes interglaciaires. Ces études portent tout à la fois sur le réchauffement climatique actuel mais aussi sur l’estimation de la quantité de méthane stocké dans ces hydrates au cours des temps géologiques.
– L’importance des hydrates de méthane comme facteur de déstabilisation des pentes sédimentaires. L’industrie pétrolière et gazière s’intéresse à des zones de plus en plus profondes nécessitant des installations de production et de transport sur le fond de l’eau. La présence massive d’hydrates doit être détectée et analysée en termes de risque géotechnique.
– Depuis la mise en évidence de ces hydrates dans les sédiments dès le début des années 1970, ils ont toujours intéressé les explorateurs et les producteurs de gaz naturel, en raison du volume considérable de méthane qu’ils représentent, même si les techniques de production actuelles sont complexes et coûteuses.
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Hydrates de méthane dans les milieux naturels
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2. Hydrates de méthane
L’hydrate de méthane est constitué de molécules de méthane (CH4), entourées par un solide réseau de molécules d’eau (H2O) disposées en cage d’où le nom de clathrate (du grec klathron, fermeture), aussi donné aux hydrates. La force des liaisons de van der Waals qui unissent les molécules d’eau autour de la molécule « encapsulée » ne permet de maintenir ces structures cristallines que dans certaines conditions de pression (forte pression) et de température (basse température).
On classe généralement les hydrates en trois familles qui dépendent de la géométrie des cages formées par les molécules d’eau. En fonction du type de cristallisation, la taille de la « cavité » dans laquelle est piégée la molécule « hôte » diffère et peut ainsi varier entre 0,4 et 0,9 nm.
Structures cubiques I (sI). C’est ce type d’hydrates que l’on rencontre le plus fréquemment dans la nature. Elles ne peuvent recevoir que des molécules de faible diamètre comme le méthane et l’éthane. Dans cette configuration, la cage est formée par 46 molécules d’eau agencées en 2 petites cages et 6 cages plus grandes (figure 5).
Structures cubiques II (sII) et hexagonales H (sH). Elles peuvent accueillir des molécules plus grosses comme le propane ou l’isobutane mais sont moins fréquentes dans la nature.
À pression normale et à température ambiante, la cage de molécules d’eau se dissocie et libère une quantité considérable de méthane : lorsque l’hydrate « fond », 1 m3 d’hydrate de méthane produit 164 m3 de méthane mais aussi 810 litres d’eau.
La thermodynamique et la cinétique de formation des hydrates de méthane ont été particulièrement étudiées par l’industrie pétrolière et gazière du fait du danger que représente la formation de « bouchons » d’hydrates dans les installations de production notamment dans l’offshore profond (encadré 1). Les études, rendues très complexes par la multitude des paramètres affectant les équilibres de phase et les cinétiques de formation/dissolution des hydrates reposent sur des modélisations thermodynamiques ...
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Hydrates de méthane
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - World Energy Outlook - * - Agence Internationale de l’Énergie (2014) http://www.iea.org/bookshop/477-World_ Energy_Outlook_2014
-
(2) - HUREAU (G.), VIALLY (R.) - Nouvelles découvertes de pétrole et de gaz. - Fiche Panorama (2014) http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/ Publications/Etudes-disponibles/Notes- de-synthese-Panorama/Panorama-2014
-
(3) - HUREAU (G.), VIALLY (R.) - Nouvelles découvertes de pétrole et de gaz conventionnels. - Fiche Panorama (2015) http://www.ifpenergiesnouvelles.fr/ Publications/Etudes-disponibles/Notes-de- synthese-Panorama/Panorama-2015
-
(4) - VIALLY (R.) - Hydrocarbures de roche-mère. - [BE 8 559] Revue Techniques de l’Ingénieur, oct. 2014 http://www.techniques-ingenieur.fr/res/pdf/ encyclopedia/42215210-be8559.pdf
-
(5) - HARRISON (S.E.) - Natural gas hydrates - (2010) http://large.stanford.edu/courses/2010 /ph240/harrison1/
-
...
ANNEXES
Organismes d’études sur les hydrates de gaz
Sugar Project (GEOMAR), Allemagne http://www.geomar.de/en/research/fb2/fb2-mg/projects/ sugar-2-phase/
Recorder, Canada https://csegrecorder.com/
IFREMER, les hydrates de gaz naturel, France http://wwz.ifremer.fr/grands_fonds/Les-enjeux/ Les-applications/Ressources-energetiques/Les-hydrates-de-gaz
École Nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne, GAS HYDRATES DYNAMICS CENTER, France http://www.emse.fr/fr/transfert/spin/depscientifiques/ GENERIC/hydrates/
MH21 Research consortium, Japon http://www.mh21japan.gr.jp/english/
Arctic Gas Hydrate, environment and Climate, Norvège https://cage.uit.no/
GNS Science, Nouvelle-Zélande http://www.gns.cri.nz/Home/Our-Science/Energy-Resources/ Gas-Hydrates
Center for gas hydrate research (Heriot Watt Institute of Petroleum Engineering), UK http://www.pet.hw.ac.uk/research/hydrate/
Center for Hydrates Research (Colorado School of Mines), États-Unis http://hydrates.mines.edu/CHR/Home.html
U.S. Geological survey Gas hydrates Project, États-Unis http://woodshole.er.usgs.gov/project-pages/hydrates/
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