ANDRA © ANDRA – Direction ScientifiqueMOMAS – Journées Multiphasiques- septembre 2008 Benchmark Couplex-Gaz Synthèse des résultats et enseignements Jean

ANDRA

© ANDRA – Direction Scientifique MOMAS – Journées Multiphasiques- septembre 2008

Benchmark Couplex-Gaz

Synthèse des résultats et enseignements

Jean Talandier

Andra

ANDRA


Couplex – Gaz regroupe 2 cas tests:

- Modélisation 2D d’une alvéole de déchets de Moyenne activité à vie longue début juin 2006- fin janvier 2007 workshop 4 et 5 avril 2007

- Modélisation 3D d’une zone de stockage de déchets vitrifiés début avril 2007 – fin février 2008

Comité scientifique composé de :Andro Mikelic, Paul Marschall, Olivier Pironneau, Michel Vauclin, Jacques Wendling

L’exercice Couplex-Gaz est organisé par l’Andra en coopération avec MOMAS

Couplex-Gaz

Proposer des cas de calcul concrets représentatifs des spécificités du stockage souterrain

Organisation et planning

ANDRA


Principaux objectifs de l’exercice Couplex-Gaz

Améliorer la confiance dans les outils de calcul utilisés pour évaluer l’impact des gaz sur le stockage

Identifier les difficultés numériques associées à la simulations des écoulements biphasiques en milieux poreux dans le contexte du stockage

Mettre en lumière de nouvelles méthodes numériques et de nouveaux outils

Comment estimer paramètres critiques : La pression maximale de gaz, la saturation autour des colis et les flux d’eau induits par les surpressions de gaz

Identifier des équipes avec lesquelles l’Andra puisse travailler pour ses prochaines campagnes de simulations

Couplex-Gaz

ANDRA


Participants pour Couplex-Gaz 1

• CEA (F. Caro)

• Colenco (A. Pollers, J. Croisé)

• ECN/Université de Toulon (M. Saad, C. Galusinsky)

• EDF (S. Granet, C. Chavant)

• GRS (V. Javeri)

• Intera (R. Senger)

• IRSN/Université de Pau (B. Amaziane, M. Dymitrowska, M. El Ossmani, C. Serres)

• Socotec (L.-V. Benet)

• Université de Liège (R. Charlier, F. Collin, P. Gerard, J.P. Radu)

Couplex-Gaz

ANDRA


Participants pour Couplex-Gaz 2

• Colenco/LBL (J. Croisé, K. Zhang)

• EDF (S. Granet, M. Ben-Sekkou, C. Chavant)

• GRS (V. Javeri)

De 9 participants pour le premier test (2D) à 3 participants pour le second (3D)

(Comparaison avec l’exercice Couplex (A. Bourgeat & Al, 2001) 8 participants Couplex1, 4 participants Couplex2)

Couplex-Gaz

ANDRA


Fort contrastes de propriétés

• Perméabilité

• Porosité

• Pression d’entrée de gaz

• Courbes de rétention capillaire et de perméabilité relative

Callovo-Oxfordien

Zone endommagée

Zone f racturée

Béton de remplissage

Béton de colis

Colis primaire

J eux résiduels

Milieu Géologique (Callovo-Oxfordien)-

Zone endommagée

Zone f racturée


Béton de colis

Colis primaire

J eux résiduels

Callovo-Oxfordien

Zone endommagée

Zone f racturée


Béton de colis

Colis primaire

J eux résiduels

Milieu Géologique (Callovo-Oxfordien)-

Zone endommagée

Zone f racturée


Béton de colis

Colis primaire

J eux résiduels

Couplex-Gaz Cas 1

ANDRA


Fin de l’injection de gaz

Pression de gaz dans la zone colis

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000

Temps (an)

pro

du

cti

on

H2

(m

ol/

an

)

Première phase d’injection de gaz

Couplex-Gaz Cas 1

ANDRA


Pression de gaz à 500

ans

Pression de gaz à 10000

ans

CEA 6.2 8.1

Colenco

5.2 6.2

EDF 5.4 6.7

GRS 5.2 6.7

IRSN 4.5 7

Socotec 5.6 7

ULG 5.5 6.9

Quelques indicateurs…

Pression de gaz maximum

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 20000 40000 60000 80000 100000

Time (year)

Wat

er sa

tura

tion

ULG

EDF

GRS

socotec

colenco

Saturation en eau dans la zone colis

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 20000 40000 60000 80000 100000

Wat

er s

atur

atio

n

Time (year)

ULG

GRS

socotec

colenco

EDF

Temps d’atteinte Sw=99%

Temps d’atteinte Sw=99.8%

CEA 52 000 181 000

Colenco

60 000 (extrapolation)

EDF 58 000 60 000

GRS 66 000 70 000

Intera 90 000 (extrapolation)

Socotec

86 000 87 000

ULG 89 000 90 000

Couplex-Gaz Cas 1

ANDRA


Phase de production de gazBonne cohérence sur la pression et sur la saturation en eau

Phase de resaturation de la zone colisBonne concordance de la pression de gazLa saturation en eau est difficile à évaluer durant cette phase

t = 50 000 ans

Pg Sw

Colenco 4.64 0.71

EDF 4.36 0.74

GRS 4.65 0.58

Socotec 4.64 0.35

ULG 4.67 0.36

t = 10 000 ans

Pg Sw

Colenco 6.2 0.17

EDF 6.7 0.15

GRS 6.7 0.2

Socotec 7 0.13

ULG 6.9 0.15

Couplex-Gaz Cas 1

ANDRA


Pression de gaz dans le Cox Saturation en eau dans le Cox

La saturation en eau est inférieure à 99% dans l’argilite saine

Forte dépendance vis à vis du modèle utilisé

Partie de la courbe utilisée

0,990

0,992

0,994

0,996

0,998

1,000

1 10 100 1000 10000 100000

Time (year)

Wat

er s

atu

rati

on

ULG

GRS

Socotec

Colenco

EDF

Couplex-Gaz Cas 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 10 100 1000 10000 100000

Time (Year)

Gas

Pre

ssu

re (

MP

a)

ULG

GRS

Socotec

Colenco

EDF

ANDRA


Stratégies de maillage

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

colenco grs intera ulg socotec cea edf

Nombre de mailles

Couplex-Gaz Cas 1

ANDRA


Couplex-Gaz – Cas 2

Modélisation 3D d’une zone de stockage

ANDRA


galeries

Alvéoles

Scellements

Scellements

Cox

Motif retenu pour le benchmark


ANDRA


Pression de gaz (MPa) à 4500 ans

Colenco 7.3

EDF 8

GRS 7.7

Temps d’atteinte Sw=99%

Colenco 39 000

EDF 60 000

GRS 45 000

Pression de gaz maximale dans le domaine Temps de resaturation

Evolution de la saturation en eau dans la galerie


0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1 10 100 1000 10000 100000 1000000

satu

rati

on e

n ea

u

Temps (an)

Colenco

GRS

edf Galerieprincipale

ScellementAlvéoles Bouchons Galerie d’accès

y

x

ANDRA


y

x

ANDRA-Benchmark Case 2A: Three Dimensional Gas Transport

0

1

2

3

4

5

100 1000 10000 100000Time in Years

Gas

Out

-Flo

w in

kg/

Yea

r

0

500

1000

1500

2000

2500

Ga

s O

ut-

Flo

w in

mo

l/Ye

ar

Access Drift: x = 100 mAccess Drift: x = 250 mAccess Drift: x = 370 mMain-Drift-One-EndMain-Drift-Both-Ends


GRS

Saturation en gaz dans la galerie d’accès(coupe verticale - EDF)

t =0

t =1000 ans

Resaturation par la galerie :

Forte influence de la condition à la limite Sw=1 sur

le scellement

ANDRA



Choix pour le calcul

Nombre de mailles

Colenco (16 processeurs)

6h 42mn

GRS 15h 50 mn

EDF 5 jours

Temps de calcul

Code Méthode de discrétisation

Colenco

Tough2_MP/eos5

VF

EDF Code_Aster EF

GRS Tough2/eos7 VF

ANDRA



Stratégies proposées

Colenco : Calcul parallèle et décomposition de domaine Utilisation du code de calcul Tough2-MP

(K. Zhang, Y. Wu and K. Pruess, Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory)(METIS + AZTEC + MPI )

GRS : Réduction du nombre de mailles / Réduction du domaine de calcul en fonction des indicateurs attendus

Objectif: Proposer des solutions pour alléger le calcul

Galeried’accès

Alvéole Alvéole

Béton

Milieu géologique

z

y

Bentonite

Galeried’accès

Alvéole Alvéole

Béton

Milieu géologique

z

y

z

y

Bentonite

Epaisseur de la couche géologique~130m

6m

ANDRA


ANDRA-Benchmark Case 2: Three Dimensional Gas Transport(Element A7552: x = 250 m, y = 50 m, z = 65 m)

0

2

4

6

8

10 100 1000 10000 100000 1000000Time in Years

Gas

Pre

ssur

e in

MP

a

ab07116: Total 3-D-Model, 7821 Elements

ab07141: 3-D-Model only with z = 62 to 68 m, 2133 Elem.

ab07142: 3-D-Model, no COX in y = 0 to 47 and 53 to 100 m, 1097 Elem.

ab07143: 3-D-Model, no COX, 456 Elements

Evaluation de la pression de gaz dans la galerie

Galerieprincipale

ScellementAlvéoles Bouchons Galerie d’accès

y

x


Nombre d’éléments

Pression de gaz Max Mpa

7821 6.25

2133 6.921097 6.69

456 6.78

GRS

ANDRA


Conclusion et enseignements

• Bon niveau de mobilisation avec 10 équipes impliquées, issues de 5 pays différents

• Résultats intéressants sur l’ensemble des modélisations proposées avec notament une large variété de choix de méthodes de résolution • Résultats concordants pendant les phases de production de gaz les plus intenses

permet d’accroitre la confiance sur certains indicateurs (ex: pression de gaz) et sur le comportement global du système

• Difficultés pour modéliser la phase de resaturation (atteinte de l’équilibre hydraulique)

une certaine dispersion des résultats pour cette phase

• Difficulté à motiver les équipes sur des benchmarks 3D

Quelques voies de progrès…

Homogénéisation du terme de source de gaz

Simulation à plus grande échelle

ANDRA


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Nombre d'éléments

1 2 3 4 5 6 7

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6 7

Temps de calcul

Nombre d’éléments dans le maillage

Le temps total de simulation n’est pas le même Pour chaque simulation (50000 1 million années)

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

1 2 3 4 5 6 7

Difficultés de convergence au début de simulation et quand le domaine est

proche de la saturation totale à la fin de la simulation

ANDRA


0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Time (year)

Wat

er s

atu

rati

on

ULG

EDF

GRS

Colenco

Equilibration phase 0 ~300 years

Water saturation in concrete Initial conditions Pw and Sw

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

50 55 60 65 70 75 80

z (m)

Pw

(M

Pa)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

50 55 60 65 70 75 80

Z (m)

Wat

er s

atu

rati

on

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

0 20 40 60 80 100 120

z (m)

Pw

(M

Pa

)

EDF

ULG

Socotec

Water pressure at 250 years

ANDRA


Group Code Cas 1a Cas 1b Discretisation methods

CEA Cast3M x x FVE MPFA

COLENCO Tough2_MP/eos5 x x IFD

EDF Code_Aster x x FE

GRS Tough2/eos7 x IFD

INTERA Tough2/eos5 & Tmvoc

x x IFD

SOCOTEC Cast3M x x FE

ULG Lagamine x x FE

Equipes et codes de calcul

Documents

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