Une nouvelle recherche de l'Université du Texas à Austin a expliqué un mystère important sur les formations d'hydrate de gaz naturel et, ce faisant, ont fait progresser la compréhension des scientifiques sur la façon dont les hydrates de gaz pourraient contribuer au changement climatique et à la sécurité énergétique.

La recherche a utilisé un modèle informatique de bulles de gaz circulant à travers des dépôts d'hydrates, un phénomène commun qui selon les modèles existants, ne devrait pas être possible sur la base de la physique. Le nouveau modèle permet d'expliquer comment certains gisements se transforment en d'énormes réservoirs d'hydrates de gaz naturel, tels que ceux trouvés sous le golfe du Mexique.

Un article décrivant la recherche a été publié le 16 février, 2020, dans la revue Lettres de recherche géophysique .

Les hydrates de gaz sont une substance glacée dans laquelle les molécules de gaz, typiquement le méthane, se retrouvent piégés dans des cages d'eau glacée sous haute pression et à basse température. On les trouve largement dans la nature, abritent une fraction substantielle du carbone organique mondial et pourraient devenir une future ressource énergétique. Cependant, de nombreuses questions subsistent sur la formation et l'évolution des dépôts d'hydrates.

Une de ces questions a été soulevée par des observations sur le terrain qui ont repéré du méthane s'écoulant librement sous forme de gaz à travers des dépôts d'hydrates dans le sous-sol. Ce qui a intrigué les scientifiques, c'est que dans des conditions où les hydrates se produisent, le méthane ne devrait exister que sous forme d'hydrate, pas comme un gaz libre. Pour résoudre le mystère du gaz à écoulement libre, une équipe de chercheurs de l'UT dirigée par Dylan Meyer, un étudiant diplômé de l'UT Jackson School of Geosciences, recréé en laboratoire ce qu'ils ont vu sur le terrain.

En utilisant ces données, ils ont émis l'hypothèse qu'à mesure que l'hydrate se forme dans un dépôt, il agit également comme une barrière entre le gaz et l'eau, restreindre la vitesse à laquelle de nouveaux hydrates se forment, et en laissant une grande partie du gaz bouillonner à travers le dépôt. Ils ont développé cette idée dans un modèle informatique et ont constaté que le modèle correspondait aux résultats expérimentaux. Lorsqu'il est agrandi, ils ont également fait correspondre les preuves d'études sur le terrain, ce qui en fait le premier modèle du phénomène à réussir les deux. Surtout, le modèle suggère que le gaz circulant dans le sous-sol peut s'accumuler dans de grands, réservoirs d'hydrates concentrés, qui pourraient être des cibles appropriées pour les futures sources d'énergie.

"Le modèle reproduit de manière convaincante une gamme de résultats expérimentaux indépendants, qui soutiennent fortement les concepts fondamentaux qui la sous-tendent, " a déclaré Meyer. " Nous pensons que ce modèle sera un outil essentiel pour les futures études sur l'évolution des grands, réservoirs d'hydrates hautement concentrés qui subissent un écoulement de gaz relativement rapide à travers des milieux poreux."

L'étude est la première fois que ce type de modèle a été construit en utilisant des données d'expériences conçues pour imiter le processus d'écoulement de gaz. L'équipe a produit son propre dépôt d'hydrate en laboratoire à l'aide d'un mélange de sable, l'eau et le gaz et recréer les conditions extrêmes de la nature. Leurs efforts leur ont fourni des données réalistes et pertinentes à partir desquelles développer leur modèle.

Co-auteur Peter Flemings, professeur à la Jackson School, a déclaré que comprendre comment le méthane se déplace à travers les couches d'hydrates dans le sous-sol est important pour comprendre le rôle du méthane dans le cycle du carbone et sa contribution potentielle au réchauffement climatique.

"L'article donne un modèle simple et élégant pour expliquer certaines expériences très difficiles, " dit Fleming.

Les expériences de l'étude ont été menées dans des laboratoires spécialisés de la Jackson School, mais le modèle est le résultat d'une collaboration inter-campus entre deux écoles de l'UT, la Jackson School et la Cockrell School of Engineering.

Meyer, Flamands et Kehua You, chercheur à l'Institut de géophysique de l'Université du Texas (UTIG), avaient développé le code informatique original pour expliquer leurs résultats expérimentaux, mais ce n'est que lorsqu'ils ont fait équipe avec David DiCarlo, professeur associé à l'UT Cockrell School of Engineering, qui leur a montré comment les résultats pouvaient être présentés en utilisant les mathématiques analytiques, qu'ils pouvaient s'attaquer avec succès au problème d'une manière qui reflétait ce qu'ils voyaient dans la nature.

L'article est le point culminant des recherches supérieures de Meyer et s'appuie sur deux articles publiés précédemment qui se concentraient sur les résultats de ses expériences en laboratoire. Meyer a obtenu en 2018 un doctorat de la Jackson School et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Academia Sinica à Taipei.

La recherche a été financée par le Département américain de l'énergie (DOE) et fait partie d'un partenariat plus large entre le DOE et l'Université du Texas à Austin pour étudier les gisements d'hydrate de méthane dans le golfe du Mexique.

La plupart des expériences de laboratoire qui ont alimenté l'étude actuelle ont été réalisées par Meyer au UT Pressure Core Center, un laboratoire de la Jackson School équipé pour stocker et étudier des carottes sous pression prélevées dans des gisements naturels d'hydrate de méthane en 2017 et qui reste la seule installation universitaire de ce type.