La nanomécanique révèle les secrets des roches sédimentaires
Le projet TOMOTECH (Nanomechanics of natural materials from combining tomography and finite element modelling) a combiné la tomographie par rayons X et la modélisation par éléments finis (EF) à l'échelle nanométrique pour prévoir la stabilité des falaises de craie et le pétrole restant dans les réservoirs dont le niveau baisse. Le chercheur associé a sélectionné deux matériaux poreux naturels pour tester la validité de cette approche. Il s'agit d'un matériau biologique microstructuré sous la forme de la coquille de l'oursin cœur et un matériau géologique nanostructuré sous la forme de la craie. La tomographie a permis d'effectuer des projections 2D des échantillons de structure interne à l'aide de rayons X. En soumettant l'échantillon à des rotations et en faisant un grand nombre de projections, il a été possible de reconstruire la porosité interne d'un échantillon en trois dimensions. Le modèle 3D a été importé dans un logiciel d'éléments finis et la rigidité a été calculée pour différentes parties de la coquille d'oursin cœur. La craie est une roche calcaire biogène formée à partir des résidus d'algues anciennes qui peut servir à la fois d'aquifère et de réservoir d'hydrocarbures. Étant donné la petite taille des grains de craie, l'étude des échantillons nécessitait une résolution plus élevée, obtenue par l'utilisation de la tomographie par rayons X synchrotron. Des simulations mécaniques ont été effectuées en utilisant la même approche que pour l'oursin cœur, ce qui a montré que la craie est beaucoup moins robuste que la coquille d'oursin cœur pour une porosité équivalente. De plus, ses propriétés élastiques baissent rapidement avec l'augmentation de la porosité. Une technique appelée dynamique des particules dissipatives (DPD) a également été utilisée pour simuler la diffusion des particules dans le réseau à l'échelle nanométrique des pores de la craie. Cette approche a permis de mesurer la tortuosité des échantillons de craie, ce qui a montré à quel point le système de pores était tortueux et permis de déterminer la perméabilité avec précision. La perméabilité est un facteur important de la capacité d'une roche à favoriser l'écoulement des fluides dans la production pétrolière ou les nappes phréatiques. Les résultats des simulations par DPD ont montré que les pores de craie sont très étroits, ce qui ralentit considérablement les composants du pétrole qui sont plus larges. De plus, les particules peuvent se retrouver bloquées à la surface. Le projet TOMOMECH a réussi à combiner la tomographie et les simulations par éléments finis, ce qui a permis de déduire les propriétés des matériaux. Les résultats peuvent être appliqués dans le domaine de la protection du littoral, de l'industrie pétrolière et des matériaux biomimétiques. Le projet a également produit des résultats importants sur la relation entre la structure et la fonction des matériaux biominéralisés.
Mots‑clés
Roche sédimentaire, TOMOTECH, nanomécanique, modélisation par éléments finis, tomographie par rayons X, craie, oursin cœur, aquifère, réservoir d'hydrocarbures, dynamique des particules dissipatives
