A Poromechanical Model for Coal Seams Injected with Carbon Dioxide: From an Isotherm of Adsorption to a Swelling of the Reservoir Un modéle poromécanique pour l’injection de dioxyde de carbone dans des veines de charbon : d’une isotherme d’adsorption à un gonflement du réservoir

Abstract

Injecting carbon dioxide into deep unminable coal seams can enhance the amount of methane recovered from the seam. This process is known as CO2-Enhanced Coal Bed Methane production (CO2-ECBM). The seam is a porous medium whose porous system is made of cleats (small natural fractures) and of coal pores (whose radius can be as small as a few angström). During the injection process, the molecules of CO2 get adsorbed in the coal pores. Such an adsorption makes the coal swell, which, in the confined conditions that prevail underground, induces a closure of the cleat system of the coal bed reservoir and a loss of injectivity. In this work, we develop a poromechanical model which, starting from the knowledge of an adsorption isotherm and combined with reservoir simulations, enables to estimate the variations of injectivity of the coal bed reservoir over time during the process of injection. The model for the coal bed reservoir is based on poromechanical equations that explicitly take into account the effect of adsorption on the mechanical behavior of a microporous medium. We consider the coal bed reservoir as a dual porosity (cleats and coal porosity) medium, for which we derive a set of linear constitutive equations. The model requires as an input the adsorption isotherm on coal of the fluid considered. Reversely, the model provides a way to upscale an adsorption isotherm into a meaningful swelling of the coal bed reservoir at the macroscopic scale. The parameters of the model are calibrated on data on coal samples available in the literature. Reservoir simulations of an injection of carbon dioxide in a coal seam are performed with an in-house finite volume and element code. The variations of injection rate over time during the process of injection are obtained from the simulations. The effect of the compressibility of the coal matrix on those variations is discussed. L’injection de dioxyde de carbone dans des veines de charbon profondes peut augmenter la quantité de méthane récupérée de ces veines. Ce processus de production de méthane est appelé CO2-ECBM (Enhanced Coal Bed Methane). La veine est un milieu poreux dont le réseau poreux est constitué de fissures et des pores de la matrice de charbon (ces pores pouvant être aussi petits que quelques Angströms). Pendant le processus d’injection, les molécules de CO2 sont adsorbées dans les pores de la matrice de charbon, ce qui la fait gonfler. Un tel gonflement conduit, dans les conditions de confinement qui prévalent sous terre, à une fermeture du système de fissures de la veine réservoir et par conséquent à une baisse de l’injectivité. Dans ce travail, nous développons un modèle poromécanique qui, à partir d’une utilisation d’isothermes d’adsorption dans des simulations à l’échelle du réservoir, permet d’estimer les variations d’injectivité de la veine réservoir au cours du temps pendant le processus d’injection. Le modèle pour la veine réservoir est basé sur des équations poromécaniques qui prennent explicitement en compte l’effet de l’adsorption sur le comportement mécanique d’un milieu microporeux. Nous considérons la veine réservoir comme un système à double porosité (fissures et porosité du charbon), pour lequel nous dérivons un ensemble d’équations constitutives linéaires. Le modèle nécessite en entrée l’isotherme d’adsorption sur le charbon du fluide considéré. Inversement, le modèle permet de transformer une isotherme d’adsorption en un gonflement ayant un sens à l’échelle macroscopique de la veine réservoir. Les paramètres du modèle sont calibrés sur des données expérimentales d’adsorption sur des charbons. Des simulations d’injection de dioxyde de carbone dans une veine de charbon sont exécutées avec un logiciel aux éléments et volumes finis développé en interne. Ainsi, les variations de taux d’injection pendant le processus d’injection sont obtenues. L’influence de la compressibilité de la matrice de charbon sur ces variations est discutée.