Modelling of sorption-induced deformations in porous materials

A clear understanding of the physical mechanisms from which stems the sorption-induced deformation in porous materials is of great importance to the knowledge of the mechanical response of the coalbed and shale formation during natural gas production and CO2 sequestration. To describe the drying shrinkage of partially saturated porous materials with a full range of pore size distribution, El Tabbal et al proposed a poromechanical model based on the thermodynamic theory (El Tabbal et al., 2020).

In my thesis, we re-derive El Tabbal’s model in a consistent Lagrangian form and take into consideration the impact of volumetric strain on energy stored in the interfaces. We validate the model by implementing it into sorption experiments conducted by various authors with a wide variety of adsorbate/adsorbent couples. Several uncertainties, induced by the choice of cavitation pressure, the experimentally defined “dry state”, and the calculation of BET-specific surface area, are shown to have negligible impacts on the form of strain isotherms. Hence, the model can predict the shape of strain isotherms without any fitting parameters.

Besides, due to the lack of reliable macroscopic model to predict the thickness of adsorbed film on pore surfaces at high relative pressure, we are doing now molecular simulation to obtain the film thickness from a microscopic perspective, which compensates the limitation of our current model.

Modélisation des déformations des matériaux poreux induites par la sorption

Une compréhension claire des mécanismes physiques d’où vient la déformation induite par la sorption dans les milieux poreux est d’une grande importance pour la connaissance du stockage de CO2 et de la réponse mécanique des couches de houille et de schiste pendant la production du gaz naturel. Pour décrire la déformation des matériaux poreux partiellement saturés ayant une large distribution de taille des pores, El Tabbel et al a proposé un modèle poromécanique basé sur la théorie de la thermodynamique (El Tabbal et al., 2020).

Dans ma thèse, on redérive le modèle d’El Tabbal et al sous une forme lagrangienne en prenant en compte l’impact de la déformation volumétrique sur l’énergie stockée dans les interfaces. On valide le modèle en l’implémentant dans des expériences de sorption menées par divers auteurs avec une grande variété de couples adsorbate/adsorbant. Certaines incertitudes, y compris celles induites par le choix de la pression de cavitation, par « l’état sec » défini par les conducteurs des expériences, et par l’aire spécifique calculée par la méthode BET, se révèlent des influences négligeables sur la forme des isothermes de gonflement.Donc, le modèle est capable de prédire la forme des isothermes de gonflement sans aucun paramètre d’ajustement.

De plus, en raison de l’absence d’un modèle macroscopique et fiable pour prédire l’épaisseur du film adsorbé sur les parois des pores à haute pression relative, on fait maintenant de la simulation moléculaire pour obtenir l’épaisseur du film d’un point de vue microscopique, ce qui compense la limitation de notre modèle actuel.