58
Journées Hydrates, Brest, 0913 septembre 2019 1 Journées “Hydrates” 0913 septembre 2019 IFREMER Pôle Numérique 305 Avenue Alexis de Rochon 29280 PLOUZANE

booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

   

   

Journées “Hydrates”  

09‐13 septembre 2019 IFREMER 

Pôle Numérique 305 Avenue Alexis de Rochon 

29280 PLOUZANE 

  

 

    

Page 2: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

   

Page 3: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

WELCOME   We  are pleased  to welcome  you  for  the 2nd meeting of  the  French  research  consortium GdR2026  Hydrates  at  the  University  of  Bordeaux.  This  event  brings  together  leading experimental,  theoretical,  and  computational  scientists  from  among  the  unusually  broad community  of  researchers  interested  in  the  various  research  areas  of  gas  hydrates  going from  chemical  and  energy  engineering  to  geosciences  and  astrophysics  through  physical‐chemistry  and  thermodynamics.  The  issues  addressed  during  this meeting  concern major aspects  of  “hydrate  sciences”  such  as  hydrate/substrates  interactions,  thermodynamics, formation kinetics, cage occupancy and as well as formation at extreme conditions.  The workshop  is divided  into  two parts. The  first part  is dedicated  to meetings of  french research consortiums working on a common project  (ANR, EU, etc.)  in closed session. The second part  is  the general meeting, gathering about 60 participants.  Its  scientific program contains  about  31  presentations,  including  invited  talks,  oral  contributions  and  poster presentations.  

 Organizing committee Livio Ruffine ‐ IFREMER, Brest Hélène Ondréas ‐ IFREMER, Brest Marie‐Odile Lamirault‐Gall ‐ IFREMER, Brest Alison Chalm‐ IFREMER, Brest Elisabeth Savoye ‐ IFREMER, Brest Olivia Fandino‐Torres – IFREMER, Brest Arnaud Desmedt, ISM CNRS ‐ Univ. Bordeaux Karine Ndiaye, ISM CNRS ‐ Univ. Bordeaux Audrey Bourgeois, ISM CNRS ‐ Univ. Bordeaux Daniel Broseta – LFC‐R UMR 5150 CNRS, Total, Univ. Pau   Scientific Committee Baptiste Bouillot ‐ LGF, UMR 5703 CNRS, Mines Saint‐Etienne  Daniel Broseta – LFC‐R UMR 5150 CNRS, Total, Univ. Pau André Burnol – BRGM, Orléans Bertrand Chazallon ‐ PhLAM UMR8523 CNRS Univ. Lille  Christophe Coquelet ‐ CTP, Mines ParisTech  Anthony Delahaye ‐ Division des Génie des Procédés et Froid, IRSTEA, Antony  Arnaud Desmedt ‐ ISM UMR5255 CNRS, Univ. Bordeaux Christophe Dicharry ‐ LFC‐R UMR5150 CNRS, Total, Univ. Pau  Jean‐Michel Herri ‐ LGF, UMR 5703 CNRS, Mines Saint‐Etienne Sylvain Picaud ‐ UTINAM UMR6213 CNRS, Univ. Franche‐Comté  Livio Ruffine ‐ IFREMER, Brest Anne Sinquin ‐ IFPEN  Anh‐Minh Tang ‐ Laboratoire Navier UMR8205 CNRS, Ponts Paristech  Gabriel Tobie ‐ LPG UMR6112 CNRS, Univ. Nantes  

Page 4: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

  

Page 5: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

CONTENT 

    

WELCOME ........................................................................................................................... 3

DETAILED PROGRAM .......................................................................................................... 7Lundi9septembre2019.................................................................................................................................................7Mardi10septembre2019..............................................................................................................................................9Mercredi11septembre2019....................................................................................................................................11Jeudi12septembre2019.............................................................................................................................................12Vendredi13septembre2019....................................................................................................................................12

LIST OF PARTICIPANTS ...................................................................................................... 13

LIST OF ABSTRACTS ........................................................................................................... 15

Gas‐hydrate Pockmarks in deep water Nigeria: formation, evolution and related hazards 17

Guest Trapping and Selectivity within mixed Clathrate Hydrates: a Grand Canonical Monte Carlo Study coupled with thermodynamic modelling ........................................................ 18

How different formation pathways  impact the structure and separation efficiency  in CO2‐N2 gas mixtures using TBAB Semi‐clathrate Hydrates ........................................................ 19

Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal ........ 24

Mechanical homogenization of gas hydrate bearing soils ................................................. 27

Clathrate hydrate on planet Mars: at present time and in the past ................................... 31

Clathrate hydrates in the icy worlds of the Solar system ................................................... 32

Stability of mixed CH4‐CO2‐N2 hydrates and mass transfer during gas exchange ............... 33

Investigation  of  the  exchange  kinetic  between  methane  and  carbon  dioxide  in  gas hydrates: application to CO2 capture from flue gas analogs .............................................. 37

Gestion de la vapeur dans les boucles de refroidissement secondaire à hydrates de gaz .. 38

Flow loop experiments to study gas hydrate formation in gas‐water‐oil systems ............. 39

Modification  of  formation  kinetics  and  of  gas  selectivity  in  “artificial”  sedimentary  gas hydrates thanks to silica nano/micro‐beads. .................................................................... 40

Elastic parameters of hydrate‐bearing sands using DEM ................................................... 42

LIST OF POSTERS ............................................................................................................... 45

Quantitative  study  of  CO2‐CH4  and  N2‐CH4  mixed  clathrate  hydrates  using  gas chromatography, Raman and IR reflectance spectroscopy: Application to icy moons ....... 47

NOTES ............................................................................................................................... 55    

Page 6: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

   

Page 7: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

 

DETAILED PROGRAM 

Lundi 9 septembre 2019   

09:00 – 12:00  Réunions de projets   12:00 – 13:30 : Pause déjeuner   

13:30 – 13:45  Accueil des participants et introduction   13:45  –  14:30  Plénière  :  N.  Sultan  “Gas  hydrates  pockmarks  in  deep  water  Nigeria: 

formation, evolution and related hazards”  14:30  –  15h50  :  Session  1  :  Etudes  fondamentales  des  hydrates  de  gaz  :  de  l’échelle 

moléculaire aux propriétés macroscopiques  

14:30  Rodriguez et al.: How different formation pathways impact the structure and separation  efficiency  in  CO2‐N2  gas  mixtures  using  TBAB  Semi‐clathrate Hydrates 

14:50  Petuya  et  al.:  Structural  stability  of  CO  clathrate  hydrates  using  DFT calculations 

15:10  Chabab et al.: Thermodynamic study of the phase equilibria in the gas‐water‐(NaCl) systems using electrolyte CPA EoS 

  15:30 – 16:00 : Pause café   16:00  –  17h20  :  Session  2  :  Etudes  fondamentales  des  hydrates  de  gaz  :  de  l’échelle 

moléculaire aux propriétés macroscopiques  

16:00  Patt et al.: Guest Trapping and Selectivity within mixed Clathrate Hydrates: a Grand Canonical Monte Carlo Study coupled with thermodynamic modelling 

16:20  Atig  et  al.:  Contactless  measurement  of  the  mechanical  properties  of methane hydrate at pore scales 

16:40  Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 

17:00  Le  et  al.:  Grain  ‐scale  morphology  and  distribution  of  methane  hydrates formed in sand sediment under excess gas conditions 

Page 8: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

   17:20 – 19h30 : Session 3 : Posters, échanges et buffet  

Le Menn et al.: Quantitative  study of CO2‐CH4 and N2‐CH4 mixed clathrate hydrates using gas  chromatography, Raman and  IR  reflectance  spectroscopy: Application  to  icy moons 

Lemaire et al.:  Influence of alkaline  feldspars‐surrogates on  the  formation kinetic and the  selectivity  of  CO2‐N2  mixed  hydrates:  investigation  by  neutron  scattering  and Raman spectroscopy 

Espert  et  al.:  Using  quantum  mechanics  modeling  for  investigating  the  structural properties of strong acid hydrates 

Bazinet et al.: Study of Methane Hydrate Formation in Fontainebleau Sand Using X‐Ray Computed Tomography: Methodological development  

   

Page 9: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

Mardi 10 septembre 2019   

 08:30 – 09:00 : Accueil café   

09:00 – 09:45 Plénière : P. Le Mélinaire « Desalination using clathrate hydrate »  09:45 – 12h15 : Session 4 : Hydrates naturels : Géosciences et Planétologie   

09:45  Garziglia  et  al.:  Insights  into  the  characterization  of  gas  hydrate‐bearing sediments from in situ geotechnical and acoustic measurements 

10:05  Alavoine et al.: Mechanical homogenization of gas hydrate bearing soils 10:25  Burnol et al.: GARAH: a GeoERA project addressing knowledge gaps to allow 

gas hydrate assessment of the European continental margin   10:45 – 11:15 : Pause café   

11:15  Lemaire  et  al.:  Influence  of  alkaline  feldspars‐surrogates  on  the  formation kinetic and the selectivity of CO2‐N2 mixed hydrates under astrophysical and geophysical conditions 

11:35  Schmidt et al.: Clathrate hydrate on planet Mars: at present time and  in the past 

11:55  Tobie et al.: Clathrate hydrates in the icy worlds of the Solar system   12:15 – 14:00 : Pause déjeuner   

14:00 – 14:45 : Plénière : P. Glennat « Hydrates & Production pétrolière »  14:45 – 17h00 : Session 5 : Procédés innovants   

14:45  Legoix  et  al.:  Stability  of  mixed  CH4‐CO2‐N2  hydrates  and  mass  transfer during gas exchange 

15:05  Martinez‐Escandell  et  al.:  High‐performance  of  gas  hydrates  confined  in nanoporous solid for CH4 and CO2 storage 

15:25  Le et al.: Investigation of the exchange kinetic between methane and carbon dioxide in gas hydrates: application to CO2 capture from flue gas analogs 

  15:45 – 16:00 : Pause café  

Page 10: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

10 

 16:00  Pons  et  al.:  Gestion  de  la  vapeur  dans  les  boucles  de  refroidissement 

secondaire à hydrates de gaz 16:20  Almeida et al.: Flow loop experiments to study gas hydrate formation in gas‐

water‐oil systems 16:40  Bouillot et al.: « TITRE A VENIR » 

   

17:00 – 17:45 : Table ronde autour des problématiques industrielles    

*******   

19:00 – 23h00  

Visite et Dîner de  conférence  

OCEANOPOLIS Port de Plaisance du Moulin Blanc, Brest 

   

   

Page 11: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

11 

Mercredi 11 septembre 2019   

 08:30 – 09:00 : Accueil café   09:00 – 09:45 Plénière : H. Lu « TITRE A VENIR »  09:45 – 10h35 : Session 6  : Géosciences et Hydrates naturels   

09:45  Métais  et  al.: Modification  of  formation  kinetics  and  of  gas  selectivity  in “artificial” sedimentary gas hydrates thanks to silica nano/micro‐beads 

10:05  Benmesbah et al.: Etude cinétique et thermodynamique des hydrates de gaz en milieu poreux : applications aux hydrates sédimentaires et aux procédés de stockage du froid 

  10:25 – 11:00 : Pause café   

11:00  Theocharis et al.: Elastic parameters of hydrate‐bearing sands using DEM 11:20  Riboulot et al.: Freshwater lake to salt‐water sea causing widespread hydrate 

dissociation in the Black Sea   11:40 – 12:00  Mot de clôture   

12:00 : Fin des Journées Hydrates   12:30 – 16:00  Comité de Pilotage du GdR      

Page 12: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

12 

Jeudi 12 septembre 2019   09:00 – 12:00 : Accueil des élèves d’établissements  secondaires du  Finistère  (Classes de 

3ème  et 1ère) :  Ateliers  scientifiques  de  découverte  des  géosciences marines 

  12:00 – 14:00 : Pause déjeuner   14:00 – 17:00 : Accueil des élèves d’établissements secondaires du Finistère (Classes ULIS) : 

Ateliers scientifiques de découverte des géosciences marines     

Vendredi 13 septembre 2019   09:00 – 12:00 :  Accueil des élèves d’établissements primaires (Classes de CM1 / CM2) 

du Finistère : Ateliers scientifiques de découverte des géosciences marines  

   

12:00 : Fin des Journées « Scolaires »     

   

Page 13: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

13 

LIST OF PARTICIPANTS  

ABADIE Emilie, Total E&P CSTJF – Pau, France ([email protected]

ALAVOINE  Axelle,  École  Nationale  des  Ponts  et  Chaussées  – Marne‐la‐Vallée,  France ([email protected]

ALMEIDA Vinicius, École des Mines de Saint‐Etienne – Saint‐Etienne, France  (vinicius.de‐[email protected]

ATIG Dyhia, Univ. de Pau et des Pays de l'Adour – Pau, France (dyhia.atig@univ‐pau.fr) 

BAZINET Laurène, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

BENMESBAH Fatima Doria, Ifremer/IRSTEA–Plouzané, France ([email protected]

BOUILLOT  Baptiste,  École  des  Mines  de  Saint‐Etienne  –  Saint‐Etienne,  France ([email protected]

BOURGEOIS  Lydie,  ISM,  Univ.  de  Bordeaux  –  Talence,  France  (lydie.bourgeois@u‐

bordeaux.fr)  BROSETA  Daniel,  LFC‐R,  Univ.  de  Pau  et  des  Pays  de  l'Adour  –  Pau,  France 

(daniel.broseta@univ‐pau.fr)  BURNOL André, BRGM – Orléans, France ([email protected]

CHABAB  Salaheddine,  Ecole  des  Mines  de  Paritech,  Paris  –  France (salaheddine.chabab@mines‐paritech.fr) 

CHABOT  Baptiste,  École  Nationale  des  Ponts  et  Chaussées  – Marne‐la‐Vallée,  France ([email protected]

CHAZALLON Bertrand, PhLAM, Univ. de Lille – Lille, France (bertrand.chazallon@univ‐lille.fr) 

DE LAURE Emmanuel, École Nationale des Ponts et Chaussées – Marne‐la‐Vallée, France ([email protected]

DELAHAYE Anthony, Irstea – Antony, France ([email protected]

DESMEDT  Arnaud,  ISM,  CNRS,  Univ.  Bordeaux  –  Talence,  France  (arnaud.desmedt@u‐

bordeaux.fr)  DICHARRY  Christophe,  LFCR,  Univ.  de  Pau  et  des  Pays  de  l'Adour  –  Pau,  France 

(christophe.dicharry@univ‐pau.fr) 

DONVAL Jean‐Pierre, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

DUPRE Stéphanie, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

ESPERT  Sophie,  DIPC,  Univ.  Politècnica  de  València  –  San  Sebastian,  Spain ([email protected]‐bordeaux.fr) 

ESTUBLIER Audrey , IFPEN – Paris, France ([email protected]

FANDINO‐TORRES Olivia, Ifremer Brest – Plouzané, France  ([email protected]

GARZIGLIA Sébastien, Ifremer Brest – Plouzané, France (sebastien.garziglial@ifremer) 

GELI Louis, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

GLENAT Philippe, Total E&P CSTJF – Pau, France France ([email protected]

GUIMPIER  Charlène,  ISM,  UMR  5255  CNRS,  Univ.  de  Bordeaux  –  Talence,  France ([email protected]

LE MELINAIRE Pascal,……., (pln@b‐gh.com) 

LE MENN Erwan, CNRS, Univ. de Nantes, France (erwan.lemenn@univ‐nantes.fr)  

LE Quang‐Du, Univ. de Lille – Lille, France (quang‐[email protected]

LE  Thi‐Xiu,  École  Nationale  des  Ponts  et  Chaussées  –  Marne‐la‐Vallée,  France  (thi‐[email protected]

Page 14: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

14 

LEGOIX,  Ludovic,  ISM,  Univ.  de  Bordeaux  &  Univ.  de  Lille  –  Talence,  France (ludovic.legoix@univ‐lille.fr) 

LEMAIRE  Marine,  École  des  Ponts  ParisTech  –  Marne‐la‐Vallée,  France  ([email protected]

LEMAIRE  Morgane,  ISM,  Univ.  de  Bordeaux  &  Univ.  de  Lille  –  Talence,  France (morgane.lemaire@univ‐lille.fr) 

LESAGE Elodie, Université Paris Sud – Orsay, France (frederic.schmidt@u‐psud.fr) 

LU Hailong, , Université de Peking, – Pekin, Chine ([email protected]

MARTIN‐GONDRE  Ludovic,  Institut  UTINAM  /  Groupe  Space  –  Besançon  France (ludovic.martin@univ‐fcompte.fr) 

MÉTAIS Cyrielle, ISM – Talence, France (cyrielle.metais@u‐bordeaux.fr) 

ONDREAS Hélène, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

PATT  Antoine,  Laboratoire  Interdisciplinaire  Carnot  de  Bourgogne,  Univ.  Bourgogne Franche‐Comté – Dijon, France (antoine.patt@u‐bourgogne.fr) 

PICAUD  Sylvain,  Institut  UTINAM,  Univ.  Franche  Comte  –  Besançon,  France (sylvain.picaud@univ‐fcomte.fr) 

PONS Michel, LIMSI, CNRS – Orsay, France ([email protected]

RIBOULOT Vincent, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

RINNERT Emmanuel, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

RODRIGUEZ  MACHINE  Carla  Thais,  Univ.  de  Lille,  France  (carla‐thais.rodriguez‐machine@univ‐lille.fr) 

ROUXEL Olivier, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

RUFFINE Livio, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

SCALABRIN Carla, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

SCHMIDT Frédéric, Université Paris Sud – Orsay, France – (frederic.schmidt@u‐psud.fr) 

SILVESTRE‐ALBERO Joaquim, DIC, Univ. Alicante, Espagne ([email protected]

SIMON Jean‐Marc, ICB, Univ. de Bourgogne – Dijon, France (jmsimon@u‐bourgogne.fr) 

SINQUIN Anne, IFPEN – Paris, France ([email protected]

TALEB Farah, Ifremer Brest – Plouzané, France (farah‐[email protected]

TANG  Anh  Minh,  École  des  Ponts  ParisTech  –  Marne‐la‐Vallée,  France  (anh‐

[email protected])  THEOCHARIS  Alexandros,  École  Nationale  des  Ponts  et  Chaussées  – Marne‐la‐Vallée, 

France ([email protected]

TOBIE Gabriel, Univ. de Nantes, France (Gabriel.Tobie@univ‐nantes.fr) 

TOFFIN Laurent, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

TRINQUIER Anne, Ifremer Brest – Plouzané, France ([email protected]

VENET Saphir, Université de Pau, France (saphir.venet@univ‐pau.fr)      

Page 15: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

15 

 

 

LIST OF ABSTRACTS  

Page 16: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

16 

   

Page 17: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

17 

 

Gas‐hydrate Pockmarks in deep water Nigeria: formation, evolution and related hazards 

Nabil Sultan*  *Ifremer, REM/GM/LAD, centre de Bretagne – [email protected] 

  The PREOWEI field is located in the Gulf of Guinea on the west coast of central Africa, south of Nigeria and seaward of the modern Niger Delta. The PREOWEI field is characterized by the presence of numerous circular to sub‐circular features of different shapes and sizes ranging from a small ring depression surrounding an  irregular floor to more typical pockmarks with uniform depression. Acquired geophysical, geotechnical and sedimentological data show the presence  of  a  common  internal  architecture  of  the  pockmark  structures  with  inner sediments rich in free gas and gas hydrates at shallow depths below the seafloor.  The aim of this talk is to summarize key findings undertaken during the last decade based on different scientific ocean expeditions  (NERIS 1&2, ERIG3D and Guineco‐MeBo). One of  the main  finding concerns  the  importance of  the hydrate dissolution and  the evolution of  the hydrate‐pockmarks  in the PREOWEI field (Figure 1). Moreover and due to the temperature and  pressure  conditions  of  the  PREOWEI  site  and  the  evidence  of  gas  infiltration  to  the shallow  subsurface,  free  gas  and  gas  hydrates  are  considered  as  a major  hazard  source. Recent  activities based on  advanced numerical  analyses have  revealed  the  importance of such hazard analysis for engineering subsea structure developments. 

 

Figure 1. Sketch (a to f) of different steps in pockmark evolution during hydrate formation and dissolution. 

Page 18: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

18 

Guest Trapping and Selectivity within mixed Clathrate Hydrates: a Grand Canonical Monte Carlo Study coupled with thermodynamic modelling 

A. Patt1,2, J. M. Simon1, S. Picaud2, J. M. Salazar1  

1 Laboratoire  Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne UMR 6303, 9 Av. Alain Savary, F‐21078 Dijon, France 2  Institut  UTINAM  UMR  6213,  41  bis  Av.  de  l’Observatoire,  25010 Besançon, France  Naturally  occurring  clathrate  hydrates  are  at  the  heart  of  important  environmental concerns and are also subjects and/or means of study for astrophysicists (O. Mousis et al.; Faraday Discuss. 147  (2010) 509).  In  situ  conditions generally  imply  the presence of gas mixtures  in  the  hydrate  forming  system.  The  question  of  the  competition  between  the different  molecular  species  in  the  process  of  clathration  is  then  raised.  Namely,  the selectivity  is  of  interest  to  determine  the  most  stable  hydrates  formed  for  given 

compositions of gas mixtures. Among the clathrate hydrates of interest for extraterrestrial 

environments are the N2, CO, and mixed N2‐CO hydrates (O. Mousis et al.; Astrophys. J. 691 (2009) 1780). They are  involved  in the models of the formation of planetesimals and planetary  atmospheres.  A  better  understanding  of  the  trapping  capabilities  of  those hydrates  can  help  providing  constraints  on  the  chemical  abundances  of  astrophysical environments.  To  that  end, Grand  Canonical Monte  Carlo  (GCMC)  simulations  constitute  a  useful  and effective tool to study those properties. In continuity with the adsorption analogy used to model the equilibria of clathrate hydrates in the van der Waals – Platteeuw theory, GCMC simulations  can  give  the quantity of  trapped, or  adsorbed‐like, molecules  in  a  clathrate hydrate as a function of the chemical potential or applied pressure.  In  the  case  of  the  mixed  hydrate,  we  report  a  significant  selectivity  towards  CO,  in agreement  with  experimental  work  (C.  Pétuya,  Ph.D.  thesis,  2017),  especially  at  low temperatures.  A  two‐site  adsorption  behavior  is  evidenced  for  structure  II  hydrates considered  in  this  work:  the  small  cages  being more  likely  filled  than  the  large  ones. Additionally, we show  that  the  Ideal Adsorbed Solution Theory  (IAST) gives  results which are  in excellent agreement with  those of our binary GCMC  simulations  (A. Patt et al.;  J. Phys.  Chem.  C  122  (2018)  18432).  The  influence  of  the  gas  phase  composition  on  the molecular  selectivity  is highlighted  from both GCMC and  IAST calculations,  for which we 

obtained qualitative agreements with experiments. After focusing on N2 and CO hydrates, 

the  study  has  been  extended  to  other  hydrates  such  as  CO2,  CH4,  C2H6,  and  the 

corresponding mixtures. 

    

Page 19: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

19 

 

How different formation pathways impact the structure and separation efficiency in CO2‐N2 gas mixtures using TBAB Semi‐clathrate Hydrates 

C.T. Rodriguez1, Q‐D. Le1, C. Focsa1, C. Pirim1, B. Chazallon1  

 1 Univ. Lille, CNRS, UMR 8523 – PhLAM ‐ Physique des Lasers Atomes et Molécules, CERLA – Centre d’Etudes et de Recherche Lasers et Applications, F‐59000, Lille, France  Since several years a great effort has been devoted to reduce carbon dioxide (CO2) emissions from  anthropogenic  activities  (e.g.  thermal  power  plants  and  steel  making  industries). However,  the  also  increasing  energy  demand worldwide makes  the  utilization  of  natural gases and fossil fuel resources still essential for the process. These emissions are composed mainly  of  CO2+N2  gas mixtures  (with  a  CO2  concentration  varying  between  5  and  40%) (D’alessandro, D. M.; Smit, B.; Long.  J. R.; Angew. Chem.  Int.  (2010) 6058‐6082), causing a negative  impact  in  the  composition  of  the  atmosphere  with  the  dramatic  increase  of greenhouse gas concentrations. One way to overcome this problem at the short to mid‐term is to apply CO2 Capture and Storage technology (CCS), for which continuous research efforts are being deployed  for the optimization of the process.  In  this context, the Hydrate‐Based Separation Process  (HSBP)  represents a promising alternative  to  the existing  technologies, for  which  a  number  of  drawbacks  have  been  pointed  out  from  the  energetic  and environmental  point  of  view.  Specifically,  in  the  hydrate  technology,  thermodynamic promoters can be added to water  in order to mitigate the operative conditions suitable for an  optimized  process.  Ionic  salts  (tetra‐n‐butyl  ammonium  bromide  (TBAB))  dissolved  in water induce hydrates formation at specific p, T conditions and can remove CO2 from a gas stream by guest‐gas encapsulation (Hashimoto, H.; Yamaguchi, T.; Ozeki, H.; Muromachi, S.; Sci. Rep. (2017) 1‐10). Literature on TBAB semi‐clathrates has mostly focused on the study of low  concentrations  of  salt  samples  while  studies  for  high  concentrations  (e.g.  35%)  are lacking. In order to diminish this major gap in the literature, this research examines the CO2 capture in a sample formed from (10%CO2+90%N2)‐35%TBAB‐H2O at a pressure of 3.7MPa in a  high‐pressure  optical  reactor with  two  distinct  temperature  protocols  typically  used  in hydrate processes. The objective is to investigate the influence of the formation protocol on the  structure  and  separation  efficiency  of  the  gas  mixture  at  several  temperatures  on approaching the dissociation temperature. Protocol 1 represents a multi‐cycling fast cooling whereas  protocol  2  represents  a  step‐by‐step  slow  cooling.  The  samples  are  analyzed  by micro‐Raman  spectroscopy  and  optical  macroscopy.  A  new  experimental  dissociation temperature  is  found  for  our  gas mixture  at  T=287.8K  ±  0.3K.  In  terms  of  structure,  the encapsulation  of  the  guest‐gases  leads  to  a  structural  transition  as  previously  observed (Chazallon, B.; Ziskind, M.; Carpentier, Y.; Focsa, C.; J. Phys. Chem. 118 (2014) 13440‐13452). Raman analysis reveals  the  influence of  the structure on  the selectivity by  the measure of the separation  factor  (S.F). Structure type A  is shown to perform better  for the separation than  structure  type  B  or  the  polymorphic  phase.  Further,  Protocol  2  shows  a  better performance than protocol 1. Finally, S.F changes while approaching dissociation along with an evolution of structure for the hydrate.  Ackowledgement:  the  authors  thank  the  Région  Hauts‐de‐France,  the  Ministère  de 

Page 20: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

20 

l’Enseignement Supérieur et de la Recherche and the European Fund for Regional Economic Development for their financial support (CPER CLIMIBIO). 

Page 21: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

21 

Structural stability of CO clathrate hydrates using DFT calculations  

Claire Petuya1,2, Ludovic Martin‐Gondre3, Cyrielle Métais1,3,4 and Arnaud Desmedt1  

1 Institut des Sciences Moléculaires (ISM) – Univ. Bordeaux, Talence, France 2 NASA  Jet Propulsion  Laboratory, California  Institute of  Technology, Pasadena, California 91109, USA 3 Institut UTINAM – Univ. Bourgogne Franche‐Compté, Besançon, France 4 Institut Laure Langevin (ILL), Grenoble, France  Contact : ludovic.martin@univ‐fcompte.fr  Carbon monoxide (CO) hydrate might be considered an important component of the carbon cycle in the solar system since CO gas is one of the peredominant forms of carbon. Intriguing fundamental  properties  have  also  been  reported:  the  CO  hydrate  initially  forms  in  the  sl structure  (kinetically  favored)  and  transforms  into  the  sll  structure  (thermodynamically stable)  (Zhu,  J., Du,  S., Yu, X., Zhang,  J., Xu, H., Vogel,  S.C., Germann, T.C.,  Francisco,  J.S., Izumi, F., Momma, K., Kawamura, Y.,  Jin? C. and Zhao, Y., Nat. Commun. 5,  (2014) 4128). Understanding and predicting the gas hydrate structural stability then become essential. The aim  of  this work  is  thereby,  to  study  the  structural  and  energetic  properties  of  the  CO hydrate using density functional theory (DFT) calculations. Performed on a complete unit cell (sl  and  sll),  DFT  derived  energy  calculations  lead  indeed  to  the  sll  structure  most thermodynamically  stable.  In addition,  increasing  the CO  content  in  the  large  cages has a stabilizing effect on the sll structure, while it destabilizes the sl structure in agreement with recent  experimental  results  as  shown  in  Fig. 1  (Petuya,  C., Martin‐Gondre,  L.,  Aurel,  P., Damay, F. and Desmedt, A., J. Chem; Phys. 150 2019) 184705).     

  

Figure 1:  Calculated binding energy as  a  function of  the  large cage occupancy 

   

Page 22: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

22 

Thermodynamic study of the phase equilibria in the gas‐water‐ (NaCl) systems using electrolyte CPA EoS 

 

S. Chabab1, A. Valtz1, A. Chapoy1, 2, C. Coquelet1  1 Mines ParisTech, PSL University, Centre of Thermodynamics of Processes, 35 rue Saint Honoré, 77305 Fontainebleau Cedex, France 2  Institute  of  Petroleum  Engineering,  Heriot‐Watt  University,  Hydrates,  Flow Assurance & Phase Equilibria Research Group, Edinburgh EH14 4AS, Scotland,UK  Carbon  dioxide  emissions,  which  is  the  main  greenhouse  gas  (in  terms  of  quantity) produced by human activity, are constantly increasing, mainly due to the exploitation and use of fossil fuels. One of the possible solutions, that is of great interest to industrial actors in  the  gas  sector,  is  to  capture,  transport  and  store  carbon  dioxide  in  deep  geological formations  (salt  caverns,  saline  aquifers,  etc.).  In  these  underground  geological  environments,    the    gas    (CO2)    is    in    contact   with    saline   water,    and depending on 

pressure and temperature conditions, CO2 hydrates can be formed (especially  in the case 

of CO2  storage as hydrate  in deep oceans). The  flue gases from oxy‐fuel combustion are 

mainly  composed  of CO2, O2  and  steam. As part of  the ANR  FLUIDSTORY  project,  one 

possibility  is  to  store  these  CO2‐rich  emissions  in  salt  caverns  and  use  them  later  for 

methanation.  During  the  transport  or  extraction  of  the  CO2+O2    mixture  from  the 

cavities,  the  rapid  pressure  drops  can  lead  to  condensation  of  water  and  then  the formation of hydrates, which  in turns can  leads to the clogging of pipelines.  The knowledge of phase equilibria as well as  the hydrate  stability  zone of  the CO2‐ O2‐

H2O and CO2‐H2O‐salt  systems  is of great  importance. To achieve  this,  it  is essential  to 

develop  a  thermodynamic  model  that  is  sufficiently  accurate  under  the  operating conditions of transport and storage. This requires the availability of reliable experimental data  for  this  type of  system.  In  this work, measurements of gas hydrate dissociation  for CO2  in  the  presence  of  NaCl  and  for  the  CO2/O2  mixture  were  carried  out  with  an 

experimental setup based on the isochoric method. 

  Fig. 1 : The e‐PR‐CPA model in terms of Helmholtz 

energy.  A  new  electrolyte  thermodynamic  model  (e‐PR‐CPA),  which  takes  into  account  all molecular and electrolyte  interactions  (Fig. 1), has been developed. This model has been successfully applied to predict the solubility of CO2  and other gases (CH4, O2, H2, etc.) in 

brine solution as well as the water content  in a wide range of pressure, temperature and salinity.  The  van der Waals  and Platteeuw  (vdWP)  theory was  combined with  the e‐PR‐CPA model to predict the hydrate forming conditions  in the presence of electrolytes. The developed model (e‐PR‐CPA + vdWP) captures very well the effect of electrolytes (NaCl) on the CH4  (for validation) and CO2 hydrate stability zone. The model predictions are in good 

agreement with the experimental measured and literature data. 

Page 23: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

23 

 Contactless measurement of the mechanical properties of methane hydrate 

at pore scales  

D. Atig1, D. Broseta, J‐M. Pereira2, R. Brown3  1CNRS/ TOTAL/ UNIV PAU & PAYS ADOUR E2S UPPA, Laboratoire des fluides complexes et de leurs reservoirs, UMR5150, 64000 Pau, France.  2Laboratoire Navier, UMR 8205, Ecole des Ponts Paris‐Tech,  IFSTTAR, CNRS, UPE, Champs‐sur‐Marne, France.  3CNRS/ TOTAL/ UNIV PAU & PAYS ADOUR E2S UPPA,  Institut des sciences analytiques et de physico‐chimie pour l’environnement et les materiaux, UMR5254, 64000 Pau, France.  Gas hydrates are ubiquitous on earth, notably at the edge of the continental margins and on the seafloor, where  they contribute  to  the stability of marine sediments by  their cohesion and their adhesion to mineral surfaces. Nowadays there  is a great motivation to study the mechanical  behavior  of  gas  hydrates,  due  to  their  interests  in  many  energy  and environmental applications. So far, the behavior of gas hydrate bearing sediments depends largely on the distribution of gas hydrate within the pore space. However, the behavior of gas  hydrate  is  little  or  not  studied  at  pore  scale.  In  the  literature,  three  common  “pore habits” are distinguished, considering the existence only of water and hydrate, but not free gas: pore filing,  load bearing and cementing. Recently, studies confirmed the presence and the  abundance  of  a  new  pore  habit,  referred  to  as  “mineral  coating”:  a  few micron‐thin polycrystalline hydrate shell, not directly covering  the sediment particles, but  riding on an equally thin layer of intervening water, sandwiched between the substrate and the gas.  In  this  study,  using  optical  microscopy,  the  formation  and  growth  of  these  shells  are investigated  across  a water/methane meniscus  in  glass‐micron  capillaries  used  as model pores, at 15 MPa of methane pressure. Then by developing a new contactless tensile test in combination  with  image  processing,  mechanical  properties  of  these  hydrate  shells  are determined.    At  low  enough  temperature,  the  hydrate  first  grows  as  a  crust  over  the meniscus and continues advancing slowly on the gas side as a ‘halo’ riding over a water film on  the  glass.  The halo  comes  to  rest  and  adheres  to  the  glass  after  an  annealing period, effectively completing a hydrate shell (the crust and the halo) that  isolates the water from the gas. During annealing at constant temperature,  image processing shows homogeneous crystal  growth  of  the  hydrate  shell.  Tensile  tests  are  carried  out  by  generating  thermally induced  depression  in  the  water  compartment  at  constant methane  pressure. Methane hydrate  presents  an  elastoplastic  behavior  before  brittle  fracture.  Tensile  strength  and elastic modulus  are  estimated  as  a  function  of  annealing  time  (from  4  to  7  hours)  and annealing  supercooling  (40.3  to  21.8°C).  Both  are  higher  at  low  temperatures,  whereas annealing time seems not to affect the elastic modulus, but the hydrate is more resistant at short annealing time. Our data contribute to fitting the 5 orders of magnitude gap between molecular simulations and current experiment at mm to cm scale. 

   

Page 24: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

24 

Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 

S. Venet1, R. Brown2, D. Broseta1 

1 Laboratoire des fluids complexes et de  leurs reservoirs (LFCR), UMR CNRS 5150, Université de Pau et des Pays de l’Adour, Av. de l’Université, B.P. 1155, 64013 Pau Cedex, France 2 Institut des sciences analytiques et de physico‐chimie pour l’environnement et les matériaux (IPREM), UMR  CNRS  5254, Université  de  Pau  et  des  Pays  de  l’Adour, Hélioparc,  2  AV.  P. Angot; 64053 Pau Cedex, France  

An  unusual  gas  hydrate  morphology,  referred  to  here  as  “hydrate  filaments”  or “hydrate fibres”, is observed in the presence of activated charcoal beads (diam. ca. 400 µm) under  the  right  conditions  of  pressure  and  temperature  and  bead  saturation.  This morphology  ensures  rapid  and  uninterrupted  hydrate  growth,  unlike  the  usual,  self‐frustrating  growth of  conventional polycrystalline hydrate  films  at water/guest  interfaces. We  use  transmission  optical  microscopy  to  investigate  the  growth  mechanisms,  using cyclopentane  (CP)  as  the  hydrate‐former,  because,  although  its  formation  requires  prior freezing of water into ice, the hydrate is stable at ambient pressure below a temperature of 7 °C 

In order to understand the phenomena involved in this novel growth process, which has potential  applications  for water  treatment  and desalination, we use  a  single  charcoal bead placed in a square borosilicate capillary used as an optical cell. The temperature is well controlled over a wide range, from ‐30 °C to room temperature. The capillary is initially filled with liquid water and CP, and the bead is most  often  positioned  initially  at  the interface  (meniscus) between  these  two phases,  either  by  introducing  from  the CP side or from the water side.  

Growth  of  filaments  is  most effective when the bead is pre‐saturated with  CP.  Filaments  radiate  widely  from the  bead  (several  times  the  bead diameter).  In  some  experiments,  the guided  flow  of  bubbles  indicates  the filaments are hollow. 

Possible  mechanisms  for continuous  hydrate  growth  will  be discussed, particularly  the problem how growth  of  continuous  hydrate  filaments out of  the porous  substrate,  sidesteps a self‐extinguishing crust, e.g. is the process similar to hydrate halos reported by Touil et al.1?  

 [1] Touil, A.; Broseta, D.; Hobeika, N.; Brown. R.; Langmuir 33 (2017) 41.  

Figure 2: Growth of hydrates in the form of filamentsgrown from an activated charcoal bead observed underoptical microscopy (scale bar 500µm). The bead,initially loaded with CP, lies in water near a CP/waterinteface, now covered with a polycristalline, self-inhibiting crust of hydrate.

Page 25: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

25 

Grain‐scale morphology and distribution of methane hydrates formed in sand sediment under excess gas conditions 

 

T.X. Le1, M. Bornert1, R. Brown2, P. Aimedieu1, D. Broseta

2, B. Chabot

1, A. King

3, A.M. Tang1 

1 Laboratoire Navier (UMR8205 IFSTTAR‐ENPC‐CNRS), Université Paris Est, Marne‐la‐vallée, France 2 L'Université de Pau et des Pays de l'Adour, France ; 3 Synchrotron SOLEIL, France  Physical/Mechanical  properties  of  sediments  containing methane  hydrates  (MH)  depend considerably on hydrate morphologies and distribution within the porous space. Studies on MH  morphologies  and  pore  distribution  in  sediments  are  thus  of  importance  for interpretations of geophysical data and reservoir‐scale simulation  in the scope of methane gas production. X‐ray computed tomography (XRCT), synchrotron radiation X‐Ray computed tomography  (SXRCT)  and  optical  microscopy  have  been  used  to  investigate  pore‐scale morphologies  and  pore  distribution  of  hydrates  in  sediments.  However,  it  is  really challenging due to not only the need of special experimental setups (high pressure and low temperature  should be maintained) but also poor XRCT  image contrast between methane hydrate and water.  In  this study, MH growth and morphologies  in  sandy sediments under excess gas conditions were investigated by using SXRCT combined with Optical Microscopy. Both pure and saline waters were used. Mechanisms of MH nucleation/growth are brought to  light thanks to high temporal resolution of SXRCT and Optical Microscopy. Furthermore, observed MH morphologies  and  pore  repartition  compared  to  existing models  (cements, load bearing and pore‐filling) are discussed. Water moves from menisci to form MH around nearby sand surfaces. MH morphologies  in sample are not only heterogeneous at the pore scale  but  also  at  the  sample  scale  due  to  water  migration.  Different  types  of  MH morphologies  (example  shown  in  Figure  1)  could  exist  in  the  sample.  

  Figure 3. Images showing different morphologies of MH: (a) crystals; (b) layer (Image 

dimensions: 0.63 mm x 0.63 mm)  

   

Page 26: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

26 

  Insights into the characterization of gas hydrate‐bearing sediments from in 

situ geotechnical and acoustic measurements  

Garziglia, S., Taleb, F., Sultan, N  IFREMER, REM‐GM, CS 10070, 29280 Plouzané, France   Characterizing the structure and mechanical behaviour of sediments containing gas hydrates is critical  in assessing  the potential  for slope  instabilities as a  result either of hydrocarbon exploitation  activities or  environmental  changes. Concerns over  the metastable nature of gas hydrates have led to a series of investigations aiming at capturing trends in geotechnical properties as a function of the hydrate content together with the characteristics of the host matrix under varying stress and thermal conditions. Most efforts in this direction have relied on the use of synthetic samples under laboratory‐controlled conditions. Some of the trends that emerged have been confirmed through the analysis of natural samples collected with pressure  corers. The  cost of  such  sampling  systems along with  the difficulties  to preserve hydrate  in  their  stability  conditions  has  sustained  interest  in  in  situ  testing  methods. Piezocone sounding is one of the method that has long been considered as particularly well‐suited  as  it  can  provide,  at  the  same  time,  continuous  profiles  of  three  independent measurements. With  the  resolution of 2 cm, such profiles are efficient means of picturing the  structure  of  the  subsurface  and  quantifying  the  associated  changes  in  mechanical properties. To complete the characterization of the medium at a similar fine scale, hydrate contents can be derived  from acoustic soundings. Other methods such as dissipation  tests can be carried out with piezometer instruments to determine the permeability properties of the medium. The aim of this presentation is to synthesize the insight gained by using these different in situ methods in two distinct areas located offshore Nigeria and in the Black Sea. Those  insights  first  relate  to  the  characterization  of  the  influence  of  the  quantity  and morphology of hydrates on  the properties of  their host  fine‐grained  sediments. They also proved  useful  in  understanding  the  processes  controlling  the  large  scale  distribution  of hydrates in sediments in high gas flux systems.    

Page 27: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

27 

Mechanical homogenization of gas hydrate bearing soils 

A. Alavoine1, P. Dangla1, J.‐M. Pereira1 

1 Université Paris‐Est, Laboratoire Navier, UMR 8205 (ENPC‐IFSTTAR‐CNRS), Marne‐la‐Vallée, France  The  research  regarding  the  geomechanics  of  natural  gas  hydrate  reservoirs  in  oceanic sediments of permafrost regions has increased these last two decades. The growing interest in  the  potential  energy  resource  that  such  deposits  represent  has  raised  environmental concerns.  Indeed, the dissociation of gas hydrates  in soil  layers of the seafloor can  lead to instabilities and landslides for example (Kayen, R.; Lee, H.; Marine Geotechnology 10 (1991) 125‐141). The  complexity of  the microstructure of  soils  containing gas hydrates makes  it difficult  to model  through  simple  macroscopic  mechanical  laws.  One  must  take  into  account characteristics  like  hydrate  volume  fraction,  morphology  and  location  in  porous  media. Numerical  homogenisation  techniques  allow  us  to  study  the  apparent  behaviour  of heterogeneous  microstructures.  We  use  a  Fast  Fourier  Transform  based  (FFT)  method (Gélébart, L.;Mondon‐Cancel, R.; Comput. Mater. Sci. 77 (2013) 430‐439) to homogenise the mechanical  response of different  types of microstructures. Nonlinear mechanical  laws  like elastoplasticity can be used for the phases composing the material. Real microstructures can be  homogenised  since  the  technique  is  based  on  a  space  discretisation  into  pixels. Furthermore,  this numerical  solution can be used  in multi‐scale approaches or  to develop constitutive laws 

 

Page 28: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

28 

GARAH: a GeoERA project addressing knowledge gaps to allow gas hydrate assessment of the European continental margin 

A. Burnol1, I. Thinon1, H. Aochi1, S. Stephant1, Ricardo León2 

1 BRGM, 3 avenue Claude Guillemin, 45060, Orléans, France 2 Geological survey of Spain (IGME), Rios Rosas 23, 28003 Madrid, Spain   The main variables controlling  the gas hydrate  stability  zone  (GHSZ) are: gas‐composition; geothermal  gradient;  pressure  (bathymetry);  and  seafloor  temperature.  The  lack  of  a complete available dataset (geological and oceanographic data) in the European continental margin zone limits our knowledge about key factors controlling the base of GHSZ.    The GeoERA GARAH project (2018‐2021) aims to address gaps  in knowledge, and build the pan‐European  gas‐hydrate  data  infra‐structure  necessary  to  allow  assessment  of  the European continental margin. This includes objectives to: 1) Develop a harmonized database of  European  gas‐hydrate  data;  2)  Identify  specific  areas  of  interest  or  having  critical knowledge gaps which would benefit from further research; 3) Provide recommendations on how future data should be collected and stored to be fully  interoperable. These objectives will  provide  critical  information  for  assessments  relating  to  geohazards  and  risks, assessments of the abundance of sediment‐hosted gas‐hydrates, and evaluations of the role that  CO2‐rich  hydrates might  play  for  a  geological  storage  of  CO2  in  deep‐sea  sediments (deep offshore option).  In some areas like the Bay of Biscay and west Galician margins, there is a low density of data. This  year, BRGM  contribution was  to  upload  new  data  concerning  this  area:  thickness  of post‐rift sedimentary  layer; Major  faults  from a bibliographic synthesis; the  location of the theoretical  base  of  the  GHSZ  supposing  a mixed  CO2  hydrate  with  3.6 mol%  N2  in  CO2 (Burnol,  A; Gas  Hydrates  2:  Geoscience  Issues  and  Potential  Industrial  Applications,  John Wiley & Sons, Inc.(2008) 267‐284).  In  the next steps of  the project, a multi‐risk approach will be  taken using  this database  to study  the potential  link between destabilization of gas hydrate and other geohazards  like natural seismicity. GARAH project will  thus play a crucial  role  in advancing our knowledge about, and modelling of, gas‐hydrate stability along European margins.  Acknowledgment GARAH project. GeoERA ‐ GeoE.171.002     

Page 29: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

29 

Influence of alkaline feldspars‐surrogates on the formation kinetic and the 

selectivity of CO2‐N2 mixed hydrates under astrophysical and geophysical 

conditions 

 

Morgane LEMAIRE1,2, Marc DUSSAUZE2, Claire PETUYA3, Vivian NASSIF4, Claire PIRIM1, 

Bertrand CHAZALLON1, Arnaud DESMEDT2 

1Univ. Lille, CNRS, UMR 8523 ‐ PhLAM‐ Physique des Lasers Atomes et Molécules, F‐59000 

Lille, France 2Univ. Bordeaux, CNRS UMR 5255 ISM‐ Institut des Sciences Moléculaires, 33405 Talence, 

France 3JPL NASA PASADENA, 4800 Oak Grove Dr, 91109, Pasadena, U.S 4Institut Laue Langevin / Institut NEEL CNRS/UGA UPR2940, 38042 Grenoble, France 

  Clathrate  hydrates  can  be  found  in  a  variety  of  natural  environments: marine  hydrate‐bearing  sediments,  polar  ice  cores,  atmospheric  aerosols1,2.  Furthermore,  they  possess  a large potential for useful technical and  industrial applications  in energy and environmental fields, such as the prevention of hydrate plugging in oil and gas pipelines, the exploitation of natural  gas  hydrates  in  deep  ocean’s  sediments  or  permafrost  regions,  the  storage  and transportation of natural gas in solid hydrate form, and CO2 capture and storage

3,4,5,6. In this work,  special  interest  is  given  to  the  natural  sediment  influence  on  the  CO2/N2  mixed hydrate. Aluminosilicates (sodium, calcium and potassium feldspar) are minerals that could be found on Earth as well as on planets7, moons8 or meteorites8 with Si‐Al substitution and charged with alkaline. This replacement allows them to have both  larger reaction and hydrophobic surface,  promoting  CO2‐hydrate  dissociation.

2 Our  recent  study,  using  the  high‐resolution neutron  two‐axis powder diffractometer  (D1B‐ILL) showed  that alkaline surrogates act  like inhibitor  of  the  gas  hydrate  kinetics  of  formation.  Indeed,  the  alkaline‐silicate  surrogate could  interact  with  the  carbon  dioxide  and  the  ice  to  form  carbonates,  preventing  the hydrate  formation.  In  order  to  subsequently  investigate  their  influence  on  gas  hydrate properties, the selectivity analysis has been carried out on the 50%CO2‐N2 mixed gas hydrate by means of confocal Raman microspectrometry.  It  is shown  that  the presence of alkaline ions influenced this parameter by decreasing CO2 selectivity. Thus, the chemical composition of the surrogates, in particular the alkaline, plays a key role in the gas hydrates formation. The second objective of  this work was  to understand  the  influence of  these surrogates on the gas hydrates formation under astrophysical conditions – not well known to the best of our knowledge. Indeed, most experimental investigations of gas hydrates are performed by using  gas  hydrates  formed  under  high  pressure  and  high  temperature  (with  respect  to astrophysical  conditions.9,10  In  this  work,  water‐gas  deposition  experiments  have  been performed at astrophysical conditions (i.e. low temperatures and mbar pressure) to form N2‐hydrate  and  CO2‐hydrate.  In‐situ  micro‐Raman  spectroscopy,  appropriated  technique  to investigate gas hydrate11, are used to explore various conditions of formation. It is revealed that the suitable condition for the hydrate formation appears to be a multi‐layered process. 

Page 30: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

30 

Such a  result  is particularly  relevant with  respect  to  the dwarfs planets and  some moons, that might enable the formation of a multi‐layered ice in contact with gases.12,13   Acknowledgements:  This work  is  supported by ANR‐15‐CE29‐0016 MI2C.  The  Institut  Laue  Langevin  is  thanked  for provision of beam 

times. Jennifer Noble (PhLAM – Univ. Lille) is thanked for fruitful and helpful discussions. 

(1)   Moridis G. J. et al, SPE Reservoir Eval. Eng. 2009, 12  (5), 745−771.  (2) Broseta D., et al., Wiley‐ISTE:London, 2017    (3) Seo Y. et al, J. Chem. Eng. Data 2008, 53, 2833–2837. (4)   Kvamme,B. et al, J. Nat. Gas Sci. Eng. 2015. (5) Linga P. et al, Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 315–320. (6)  Eslamimanesh A. et al,  Chem. Eng. Sci. 2012, 81, 319–328. (7) Deer W.A. et al, Geological Society¸2004, London. (8) Castillo‐Rogez J. et al., Meteorit. Planet. Sci.¸2018, 9, 1820‐1843. (9) Hallbrucker A., J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, 90(2), 293‐295.//(10) Lunine J.L., Stevenson D.J., Astrophys. J., 1985, 58, 493‐531 (11) Chazallon B., et al., In : Broseta D., et al., Wiley‐ISTE:London, 2017 (12) Mitri G., Showman A.P., Icarus, 2008, 193(2), 387‐396.//(13) Travis B.J., Schubert G., Icarus, 2015, 250, 32‐42. 

 

   

Page 31: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

31 

 

Clathrate hydrate on planet Mars: at present time and in the past 

F. Schmidt1, G. Cruz‐Mermy1, E. Lesage1 

1 GEOPS, Université Paris‐Sud, CNRS, France    Clathrate  hydrate  has  been  proposed  to  be  present  in  various  geological  context  in  the Martian history. We propose here to review the condition and the implication of such phase.  At present  time: methane has been detected by various  techniques  in  the atmosphere of Mars, but observations are  really puzzling because  they  suggest a very  short  (few weeks) lifetime, in comparison with the known chemistry expectation (tens of years). Methane has been  proposed  to  as  a  phase  to  trap  CH4  but  also  to  release  it  rapidly.  Abnormal preservation  of methane  clathrate  has  been  proposed  to  solve  this  open  question.  Also, clathrate may be present in the polar cap of Mars because of the co‐existence of both water and CO2 ices.  In  the past: Most volcanic  sulfur  released  to  the early Mars atmosphere  could have been trapped  in  the upper  cryosphere under  the  form of CO2‐SO2  clathrates. Huge amounts of sulfur, up to the equivalent of a ~1 bar atmosphere of SO2, would have been stored  in the Noachian  (~4Gy) upper cryosphere, then massively released  to  the atmosphere during  the Hesperian  (~3.5  Gy)  due  to  rapidly  decreasing  CO2  atmospheric  pressure.  It  could  have resulted in the formation of the large sulfate deposits observed mainly in Hesperian terrains, whereas no or little sulfates are found at the Noachian. We point out the fact that CO2‐SO2 clathrates  formed  through  a  progressive  enrichment  of  a  preexisting  reservoir  of  CO2 clathrates  and  discuss  processes  potentially  involved  in  the  slow  formation  of  a  SO2‐rich upper cryosphere. We show  that episodes of sudden destabilization at  the Hesperian may generate 1000 ppmv of SO2  in  the atmosphere and  contribute  to maintaining  the  surface temperature above the water freezing point. 

 

   

Page 32: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

32 

 

Clathrate hydrates in the icy worlds of the Solar system 

G. Tobie1, E. Le Menn1, L. Bezacier1,  Bollengier O.1, Choblet G.1, C. Fauguerolles1, O. Grasset1, Harel, L. 1, Le Mouélic S.1, Marais, H.1, Massé, M.1, Morizet Y.1, Nna Mvondo, D.1, Oancea, A.1, Robidel, R.1 

1 Laboratoire de Planétologie et Géodynamique, UMR‐CNRS 6112, Université de Nantes, France   Beyond Mars, most  of  the  solid  bodies  of  the  solar  system  contains  water  ice  in  large quantities, potentially up to 50% of their mass. Space exploration of the Outer solar system has  revealed  that several  icy bodies harbor  liquid water underneath  their cold  icy surface, where  large quantities of gas  compounds may be  stored  in  the  form of  clathrate hydrate (Tobie et al. ApJ 752:125 (2012)) The most spectacular discovery of these two  last decades was the observation by the Cassini spacecraft of water vapour and icy grains erupting from the south pole of Saturn’s moon Enceladus. After ten years of exploration of Saturn’s system by the Cassini‐Huygens mission, it was understood that this eruption was directly connected to  a  subsurface  ocean,  only  a  few  kilometers  beneath  the  surface  (Choblet  et  al. Nature Astro. 1  (2017) 841‐947, Postberg et al. Nature 558  (2019) 564‐568). By  flying through the watery plume, Cassini samples  for  the  first  time materials coming  from an extraterrestrial water  reservoir.    Evidence  of water  vapor  erupting  from  Europa’s  surface  has  been  also reported (e.g. Roth et al. Science 343 (2014) 171‐174), indicating that oceanic materials may be sampled on this moon also by a future exploration mission.  These  different  discoveries  indicate  that  active  chemical  exchanges  are  still  operating  on some of these moons and that gas clathrate hydrate may play a crucial role.  In this context, during  these  last  ten  years,  the  LPG  developed  a  joint  approach  combining  observation, experimentation  and  numerical modeling  to  understand  the  implications  of  gas  clathrate hydrate  for  the  long‐term  evolution  and  present‐day  activity  of  icy moons.  This  includes high‐pressure  experiments  (up  to  5  GPa)  to  determine  the  phase  diagram  of  clathrate hydrates (mostly CO2 (Bollengier et al. GCA 19 (2013) 322‐339) and CH4 (Bezacier et al. PEPI 229 (2014) 144‐152) in the interior conditions of large icy worlds, acquisition of reference IR spectra of gas clathrate hydrate at low pressure and low temperature conditions ((Oancea et al.  Icarus 221(2012) 900‐910), Nna Mvondo et al.  Icarus (in revision))  in order to anticipate their detection at the surface of icy moons, numerical modeling on the interior structure to determine the stability range of clathrate hydrate and their possible transport to the surface (Tobie et al. ApJ 752:125 (2012), Choblet et al. Icarus 285 (2017) 252‐262)). This presentation will provide an overview of the work that has been performed these last years by our group to address the role of clathrate hydrate on the thermo‐chemical evolution of icy moons. 

 

   

Page 33: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

33 

Stability of mixed CH4‐CO2‐N2 hydrates and mass transfer during gas exchange 

L.N. Legoix1,2,*, L. Ruffine2, C. Deusner1 and M. Haeckel1 

1 GEOMAR, Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Wischhofst. 1‐3, D‐24148 Kiel, Germany 2 IFREMER, Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer, Géosciencers Marines, 29280 Plouzané, France *Actual affiliation : Université de Lille, PhLAM‐Physique des Lasers Atomes et Molécules, F‐59000 Lille, France    The CCS processes  (i.e., Carbon Capture and Storage) are gaining  interest  to decrease  the atmospheric  emissions  of CO2. Clathrate  hydrates  are  components  suggested  to  separate CO2 from flue gas (i.e., contains mainly N2 and CO2) produced by industries, with the help or not  of  a  hydrate  promoter  (Kang,  S.‐P.  and  Lee, H.;  Environ.  Sci.  Technol.  34  (2000)  20). Concerning  the  sequestration,  the  deep‐sea  sediments  are  considered  to  be  a  possible alternative to other geological methods to sequester CO2 in the hydrate form (Ohgaki, K. et al.; J. Chem. Eng. Jpn 26 (1993) 5). However, the presence of N2 with CO2 could enhance the process of carbon sequestration,  that opens  the possibility  to sequester directly a  flue gas without using a separation process (Park, D.‐Y. et al.; Proc. Natl. Aca. Sci 103 (2006) 34). In this work (Legoig, L.N.; Diss. CAU Kiel (2019)), several laboratories experiments were done to give  insights on CO2  sequestration  in nature as a hydrate deposit. The phase equilibria data of CO2‐CH4 hydrates with a  liquid CO2 phase shows  that  it  is possible  to store CO2 at higher temperature when CH4 is present. Then, the mechanisms of CH4 replacement by CO2 were studied. Finally, a series of high‐pressure experiments to study the behavior of a fluid downstream a well for the sequestration of a flue gas were done. The shrinking core kinetics, based  on  the  diffusion  of  guest  molecules  in  hydrates,  makes  the  gas  exchange  slow. However, CO2 is still preferentially retained compared to N2, and CH4 were produced during both gas injections and depressurizations steps.  

   

Page 34: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

34 

High performance of gas hydrates confined in nanoporous solids for CH4 and CO2 storage 

 M. Martínez‐Escandell*, M.E. Casco, C. Cuadrado‐Collados, J. Silvestre‐Albero   

 1 Laboratorio de Materiales Avanzados, Universidad de Alicante, Alicante, Spain  

*Presenting author’s e‐mail: [email protected]    Introduction 

The  discovery  of  sediments  deep  under  sea  and  in  the  permafrost  containing methane molecules in the form of gas hydrate has opened a wide range of potential applications for energy  storage. Gas  hydrates  are  crystalline  inclusion  compounds  that  are  formed when small guest molecules contact water in specific pressure and temperature conditions (below 10ºC, above 3.5 MPa).1 In the specific case of methane (the main component of natural gas), sI  hydrates  can  store  one molecule  of methane  for  every  six molecules  of water,  i.e.  a maximum  of  180  volumes  (STP)  per  volume.  Hence,  artificial methane  hydrates  can  be anticipated as a  feasible alternative  for storage and  transportation of natural gas at much lower cost and safer than the current technologies, e.g.  liquid natural gas and compressed natural gas. 

Despite  the  promising  performance  of  gas  hydrates,  their  nucleation  and  growth  is  an interfacial phenomena associated with very slow kinetics. However, recent studies from our research group have shown that activated carbons with a widely developed porous structure and  a  proper  surface  chemistry  can  promote  the  nucleate  and  growth  of  gas  hydrates (methane)  under milder  conditions  than  nature  (2ºC  and  4‐6 MPa),  with  faster  kinetics (within minutes) and with a stoichiometry that mimics natural hydrates.2  Interestingly, the performance of these confined hydrates highly depends not only  in the textural properties of the host carbon structure (pore size and shape) but also in the surface chemistry. Last but not  least, the nucleation and growth kinetics are highly sensible to the nature of the  liquid media, e.g. to the presence of a saline environment.3    Materials and Methods  Activated carbon material has been prepared by chemical activation with anhydrous KOH of a  mesophase  pitch  from  a  VR  residue,  using  a  KOH:precursor  ratio  6:1  (w/w).  The mesophase pitch and the KOH were initially mixed in a ball mill for 30 min, and subsequently the mixture was submitted to an activation treatment  in a horizontal furnace at 1073 K for 2h,  under  a  nitrogen  flow  of  100 mL/min.  The  final material was washed with  10%  HCl solution and distilled water until neutral pH.   For the adsorption experiments in wet conditions, the petroleum‐pitch activated carbon (PP‐AC) was  humidified  under water‐supplying  conditions  denoted  by  Rw.  Relative  humidity conditions were modified to achieve sample under‐ and over‐saturated. 

Page 35: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

35 

High‐pressure methane and CO2 adsorption measurements were performed in a homemade fully  automated  equipment  designed  and  constructed  by  the  LMA  group.  Adsorption measurements were performed up to 10 MPa at 2ºC.   Results and Discussion  

High‐pressure  methane  and  CO2  adsorption  measurements  clearly  show  that  the  pre‐humidification of the carbon material with ultrapure water gives rise to a sudden increase in the amount of methane adsorbed, preferentially  in volumetric basis. The  increase  storage capacity in wet carbons must be attributed to the formation of gas hydrates in the confined nanospace  of  the  carbon  material,  as  deduced  from  synchrotron  X‐ray  diffraction measurements.2 Furthermore, the presence of the carbon material as a host structure allows to improve the kinetics compared to the bulk hydrates. These confined hydrates can be used to store either CH4 or CO2, upon request. Interestingly, the scenario changes dramatically in the  presence  of  seawater.  Under  these  conditions  the  extent  of  hydrate  formation decreases, preferentially at 2ºC  (see Fig. 1). Furthermore,  the presence of salt  inhibits  the nucleation process as reflected by a shift in the threshold pressure to higher values.       

 

 

 

 

          Conclusions These results show that properly designed activated carbon materials can be used as a host structure to promote the formation of gas hydrates. These confined hydrates exhibit  larger kinetics compared to their bulk counterparts. Furthermore, under confined environment CH4 can  be  easily  replaced  by  CO2,  thus  opening  the  gate  towards  the  application  of  natural methane hydrates as a long‐term CO2 reservoir. However, these processes are altered in the presence of salty water, preferentially at temperature around ice melting, with an inhibition of the gas hydrate.  Acknowledgment This  work  was  supported  by  MINECO  (Project  MAT2016‐80285‐P)  and  GV  (Project PROMETEOII/2014/004).    

0 2 4 6 8 100

20

40

60

80Temp = 2ºC

nC

H4 (

% w

t.)

P(MPa)

H2O/AC

Seawater/AC

 

Figure 1. High‐pressure methane adsorption/desorption isotherms in sample PP‐AC in pure and seawater environment. 

Page 36: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

36 

References  1. Sloan, E.D. (1998). “Clathrate of natural gases”, Marcel Dekker. New York. 2.  Casco,  M.,  Silvestre‐Albero,  J.,  Ramirez‐Cuesta,  A.J.,  Rey,  F.,  Jordá,  J.L.  et  al.  (2015). Methane hydrates in confined nanospace can surpass nature, Nature Commun., 6, 6432 3.  Cuadrado‐Collados,  C.,  Fauth,  F.,  Such‐Basañez,  I.,  Martínez‐Escandell,  M.,  Silvestre‐Albero, J. (2017) Methane hydrate formation in the confined nanospace of activated carbons in seawater environment. Microp. Mesop. Mater.,255 220‐225   

   

Page 37: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

37 

 

Investigation of the exchange kinetic between methane and carbon dioxide in gas hydrates: application to CO2 capture from flue gas analogs 

Q.D. LE, C.T. RODRIGUEZ , C. PIRIM , B. CHAZALLON* 

1 Univ. Lille, CNRS, UMR 8523 – PhLAM ‐ Physique des Lasers Atomes et Molécules, CERLA – Centre d’Etudes et de Recherche Lasers et Applications, F‐59000, Lille, France. � Corresponding: bertrand.chazallon@univ‐lille.fr (B. Chazallon).   

Abstract:  Recovering  methane  (CH4)  from  natural  gas  hydrate  deposits  using  carbon dioxide (CO2) injection is currently of interest, as it shows potential for producing an energy resource while mitigating CO2 emissions through CO2 sequestration in the meantime. Here, the  kinetic of methane  replacement by  carbon dioxide  in  synthetic methane hydrates  is evaluated  by monitoring  the  change  of  pressure  as  a  function  of  time  during  exchange processes.  CO2  gas  is  captured  within  synthetic methane  hydrates  formed  at  different conditions of pressure and  temperature. Both  the exchange kinetic and  the CO2  capture process are  found  to depend upon various  factors,  such as  the driving  forces applied  for methane hydrates formation, the composition of the incoming CO2‐based gas stream, and the stirring speed during gas exchange. Effect of the driving force ∆P, which measures the pressure  difference  between  the  dissociation  pressure  and  the  formation  pressure,  has been tested between 6 MPa and 8 MPa for CH4 and 3.6 and 11.4 MPa  for both pure CO2 

and binary CO2‐N2 gas streams. At a temperature of 277K, the exchange kinetic with pure CO2  is greatly  improved  (by a  factor ~60) when stirring  is applied. Also, the kinetic  is also improved by a factor ~5 when the exchange is performed on methane hydrates formed at higher  pressure  (8MPa),  revealing  how  important  the  driving  force  applied  to  form methane hydrates is on the subsequent exchange kinetic. In contrast, the kinetic is reduced when exchange is carried out using a CO2‐N2 gas mixture.  

Keywords: Kinetic; Thermodynamic; Gas hydrate; CH4‐CO2 replacement technology; driving force; Capture CO2  B. Chazallon, M. Ziskind, Y. Carpentier, and C. Focsa, “CO2 Capture using semi‐clathrates of quaternary ammonium salt: Structure change induced by CO2and N2 enclathration,” J. Phys. Chem. B, vol. 118, no. 47, pp. 13440–13452, Nov. 2014.  B. Chazallon and C. Pirim, “Selectivity and CO2 capture efficiency in CO2‐N2 clathrate hydrates investigated by in‐situ Raman spectroscopy,” Chem. Eng. J., vol. 342, pp. 171–183, Jun. 2018.  Acknowledgement:  This  work  is  supported  by  Interreg  EU  project  Carbon2Value  (2017‐2020)    

Page 38: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

38 

Gestion de la vapeur dans les boucles de refroidissement secondaire à hydrates de gaz 

M. Pons1, Z. Youssef1, A. Delahaye2, L. Fournaison2 

1 LIMSI, CNRS, Université Paris‐Saclay, Bât 507 Rue du Belvédère, 91405 Orsay Cedex 2 Irstea, UR GPAN, 1 Rue Pierre‐Gilles de Gennes, 92761 Antony    

Comparé aux coulis de glace (relativement connus), l’usage d’un coulis d’hydrate de gaz pour  distribuer  du  froid  se  traduit  par  des  phénomènes  nouveaux.  En  effet,  la décomposition des  cristaux  lors de  la « fourniture de  froid » génère du gaz  (!) dont  la densité est beaucoup plus faible que celle du coulis (re !), ce qui soulève deux questions. 1/ Ce gaz doit‐il continuer à circuler avec  le coulis dans  le réseau de distribution, dans lequel  les  utilisateurs  sont  habituellement  desservis  « en  série »  plutôt  que  « en parallèle » ? 2/  Quelles  conséquences  la  présence  du  gaz  a‐t‐elle  sur  le  volume  du  réservoir  de stockage de coulis, en termes de volumes et de pression ? Ces questions ont été étudiées à partir de données publiées [Compingt et al., 2009] sur un  système  de  distribution  de  froid  par  coulis  de  glace  (quantité  de  froid  demandée, masse et volume de  stockage), et ce pour deux  types de coulis d’hydrates  (de CO2 et mixte de CO2+TBPB), et pour deux configurations de stockage du gaz, soit sans soit avec compression. Les volumes nécessaires à l’ensemble du système de stockage (coulis + gaz) sont calculés en fonction des paramètres de fonctionnement du réseau et comparés au cas référence [Compingt et al., 2009]. 

 Compingt, A., Blanc, P., Quidort, A.. 8th  IIR Conf. Phase Change Materials and Slurries  for Refrigeration and Air Conditioning. Kauffeld, M.  (Ed.), Karlsruhe, Germany  (2009), pp. 135‐144.  

   

Page 39: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

39 

Flow loop experiments to study gas hydrate formation in gas‐water‐oil systems 

V. ALMEIDA1, A. CAMEIRAO1, J‐M. HERRI1, P. GLENAT2 

1 Centre SPIN, Ecole des Mines de Saint‐Etienne, 158 Cours Fauriel, 42023 Saint‐Etienne, France 2 TOTAL S.A.– CSTJF, Avenue Larribau, 64018 Pau Cedex, France  

The formation of gas hydrates is a common problem in deep sea oil and gas pipelines, due  to  the  low  temperature and high pressure of  these  systems. Thermodynamic hydrate inhibitors (THIs) and kinetic hydrate inhibitors (KHIs) are the additives normally used by the industry to avoid hydrate formation. The THIs reduce the freezing temperature for hydrates formation. The disadvantages of THIs is that they require large volumes to be effective, they are  costly  and  environmental  unfriendly.  The  KHIs  do  not  change  the  hydrate  formation mechanisms and do not reduce the size of particles, but they delay the hydrates formation. KHIs are effective for a limited subcooling only. Alternatively, low dosage anti‐agglomerants (AAs) additives can be used. They are expected to reduce the particles size and prevent their agglomeration. Recent works reported  in the  literature have shown that some AAs reduce blockage  for  low water  cuts  systems,  but  they  are  not  very  effective  for  high water  cuts scenarios.  Consequently,  investigations  on  high  water  cuts  systems  are  still  ongoing  to understand  the  impact  of  several  types  of  AAs,  salt  concentration  and  flow  pattern  on hydrates crystallization and transport. The focus of some recent research has been the use of salt to improve the effectiveness of AAs. 

The purpose of  the present work  is  to  study gas hydrate  formation  in pipelines by doing  flowloop experiments. The Archimedes  flowloop at Mines Saint‐Etienne  (see  [1] and [2])  is  used  for  the  tests,  which  are  performed  with  Kerdane,  water  and  gas.  Recent improvements  include  the  installation  of  acoustic  emission  probes  to  track  hydrate formation, agglomeration and deposition. Preliminary experiments show that, with acoustic emission, chord length distributions and pressure drop measurements, it is possible to track the  hydrate  particles  and  identify  deposition. Another  improvement  on  the  experimental apparatus was the installation of a permittivity probe, that helps identifying the continuous phase and the inversion of phase for some scenarios after crystallization. The first tests were at 30, 50, 80 and 100% water cuts, using methane. 

The objective of future experiments is to use natural gas and an AA additive with salt, focusing on high water cut systems. In addition, with the recent added acoustic emission and permittivity probes, we expect to be able to characterize the flow pattern before and after hydrate formation and classify the hydrate severity according to the observed flow patterns. 

 [1] Melchuna,  A.,  Cameirao,  A.,  Herri,  J‐M.,  Glenat,  P.  Topological modeling  of methane hydrate  crystallization  from  low  to high water  cut emulsion  systems.  Fluid Phase Equilib., Vol. 413, pp. 158 – 169 (2016).  [2] Pham, T.K. Experimental study and modelling on methane hydrates crystallization under flow from a water‐oil dispersion at high water cut. PhD Thesis, 334 p., Mines Saint Etienne, France (2018). 

Page 40: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

40 

Modification of formation kinetics and of gas selectivity in “artificial” sedimentary gas hydrates thanks to silica nano/micro‐beads. 

 C. Métais 1,2,3, J. Ollivier 1, L. Martin‐Gondre 2, A. Desmedt 3 

 1Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble, France 2 Institut UTINAM, Besançon, France 3 Institut des Sciences Moléculaires (ISM), Bordeaux, France  Clathrate hydrates (also called gas hydrates) are nanoporous crystalline solids composed of 

hydrogen‐bonded  water  molecules  forming  cages  within  which  gaseous  molecules  are 

encapsulated.  They  are naturally present on  Earth, on permafrost  regions  and  on oceans 

floors, but also on other comets and planets of the Solar System. [1] This natural occurrence 

makes  them  relevant  for many  geophysical  and  astrophysical  applications  [2].  In  natural 

media,  they are  formed  in  the presence of sediments. What  influence do  these sediments 

have on the physico‐chemical properties and the formation of gas hydrates? Answering this 

question is of prime importance to fully understand the properties of these systems [3].  

 We have  studied  the properties of mixed gas hydrates,  i.e., co‐encapsulating  two gaseous 

species  formed  from  CO2,  N2  and  CH4  gas  mixtures.  The  substrate  was  an  artificial 

environment, using  silica beads  (diameter  ranging  from 0.075  to 250 m)  as  an  idealized 

environment  to  substitute  to  the  natural  sediments.  Several  properties  have  been 

investigated:  the molecular selectivity  (i.e. which gaseous specie  is preferentially  trapped), 

the  gas diffusion  at  the  silica/hydrate  interface,  the  formation  kinetics of mixed  clathrate 

hydrates  and  the  structural  stability  of  these  system.  Both  theoretical  and  experimental 

techniques have been used to study all these properties:  Raman spectroscopy, quasi‐elastic 

neutron  scattering,  neutron  diffraction,  small  angle  neutron  scattering  and  quantum 

mechanics DFT calculations. 

 

The  theoretical  results made  it possible  to study  the structural and energy stability of  two 

pure  hydrates  as  a  function  of  the  amount  of  gas  trapped  inside.  In  addition,  the 

experimental results obtained show that the sediment surrogates have an  influence on the 

properties of gas hydrates, such as the  improvement of the molecular selectivity within the 

mixed hydrate or the strong modification of the formation kinetics. Some of these results will 

be presented and discussed.  

 [1]  D.  BROSETA,  L.  RUFFINE,  A.  DESMEDT  Eds.  Gas  hydrates  1:  Fundamentals, 

characterization and modeling. Wiley: London, 2017 

[2] L. RUFFINE, D. BROSETA, A. DESMEDT Eds. Gas hydrates 2: Geosciences and applications. 

Wiley: London, 2018. 

[3]  http://mi2c.hydrate.eu;  website  of  ANR  MI2C  « Approche  Multi‐échelle  de  l'impact 

d'impuretés minérales sur le piégeage de gaz dans des clathrates hydrates » 

Page 41: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

41 

Etude cinétique et thermodynamique des hydrates de gaz en milieu poreux : applications aux hydrates sédimentaires et aux procédés de stockage du froid 

F.Benmesbah1,2, L.Ruffine1, P.Clain²,3, V.Osswald², O.Fandino‐Torres1, L.Fournaison², A.Delahaye²  

1 IFREMER, Département Ressources physiques et Ecosystèmes de fond de Mer (REM), Unité des Géosciences Marines, 29280 Plouzané, France 2 IRSTEA, Département Ecotechnologie, Unité Génie des Procédés Frigorifiques, 1 rue Pierre‐Gilles de Gennes, CS 10030; 92761 Antony Cedex  3Leonard de Vinci Pôle Universitaire, Research Center, 12 avenue Léonard de Vinci, 92916, Paris La Défense, France   Les hydrates de gaz sont abordés dans une grande variété de sujets scientifiques, notamment les  géosciences et  les procédés  industriels  tels que  la production et  le  stockage du  froid. Dans  ces  deux  domaines  en  particulier,  l’étude  des  mécanismes  de  formation  et  de dissociation des hydrates de gaz en milieux poreux est primordiale pour mieux comprendre la dynamique des hydrates de gaz présents dans les sédiments des marges continentales et optimiser les procédés de stockage du froid.  La formation des hydrates de gaz dans des milieux poreux tels que le sable constitue un défi en  raison  des  variations  continues  de  perméabilité  absolue  et  relative,  le  type  de morphologie et  l’hétérogénéité de  la distribution des hydrates dans une telle matrice. Des paramètres tels que  la saturation en eau,  le débit d’injection du gaz,  la taille des particules ainsi que  la nature du milieu poreux peuvent affecter  fortement  les mécanismes  liés à  la formation  des  hydrates.  Cette  étude  vise  à  comprendre  l’effet  de  ces  paramètres  sur  la cinétique de formation des hydrates et leur capacité de stockage du gaz en milieux poreux.  Deux dispositifs expérimentaux, disponibles à Ifremer et Irstea, ont été utilisé dans le but de croiser les connaissances et les méthodologies développées dans les deux laboratoires, afin de  générer  des  données  complémentaires  de  cinétique  et  de  thermodynamique,  et  ainsi mieux caractériser  le processus de  formation des hydrates en milieu poreux. A  Ifremer,  le premier dispositif développé consiste en une cellule haute pression pour étudier l’influence de  trois  paramètres :  la  saturation  en  eau,  le  débit  volumique  du  gaz  et  la  taille  des particules  de  la matrice  sableuse  sur  la  cinétique  de  formation  des  hydrates  et  sur  leur capacité  de  stockage  du  gaz.  Les  principaux  résultats  donnent  des  temps  d’induction relativement aléatoire, confirmant le caractère stochastique de la formation des hydrates. La distribution des hydrates est également très contrastée d’une expérimentation à une autre, et  cela, même en  conservant  les mêmes paramètres expérimentaux. Cette hétérogénéité s’observe dans  la trajectoire de  la pression dans  le réacteur au cours de  l’expérimentation. Ainsi,  la  distribution  des  hydrates  semble  aussi  stochastique  que  le  temps  d’induction, empêchant ainsi une consommation  totale de  l’eau même dans des conditions d’excès de gaz.  A  Irstea,  le  second  dispositif  utilisé  consiste  en  un  banc  d’analyse  thermique différentielle développé spécifiquement pour caractériser  les hydrates de gaz. Ce dispositif permettra l’étude de l’influence de la nature du milieu poreux sur la cinétique de formation des hydrates de gaz et leurs propriétés thermodynamiques. 

Page 42: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

42 

Elastic parameters of hydrate‐bearing sands using DEM 

A. I. Theocharis1, J.‐N. Roux1, V. Langlois1 

1Laboratoire Navier, Université Paris‐Est, UMR 8205 (Ecole des Ponts ParisTech – Ifsttar – CNRS), Marne‐la‐Vallée, France   

Hydrates are solid compounds, looking like ice, that include hydrocarbons trapped within a crystal structure of water. They are found underground and underwater most frequently in the form of hydrate‐bearing sands, are probably the largest source of hydrocarbons globally and could be part of a solution to global warming, whereas they also constitute a geohazard that may trigger catastrophic mechanical instabilities. In this work hydrate‐bearing sands are analyzed at their grain scale, focusing on their mechanical behavior and particularly their elasticity, using the Discrete Element Method. Based on the assumption that hydrate‐bearing sands consist of grains and intergranular hydrate bonds, a new contact cement model is proposed for cemented spherical particles; this model is used in order to accurately measure the elastic properties of the material. A parametric analysis considering the density and coordination number of different DEM samples reveals how several microstructural variables affect the elasticity of the simulated materials. The significant parameters defining the elastic response of the material are found to be the mean bond stiffness and the coordination number (Fig. 1). Finally, the elastic results are compared with two well‐known mean field approaches, Voigt’s approach and Dvorkin’s Contact Cement Theory (CCT), in order to test the accuracy of these methods for hydrate‐bearing sands. Results show that Voigt results evolve similarly with what is observed in DEM and work clearly as an upper limit. Dvorkin’s CCT provides results which are systematically inaccurate with respect to DEM results no matter the assumptions on its critical variables. 

(a)   (b)  Fig.  1:  Elastic  moduli  (a)  bulk  and  (b)  shear  of  hydrate‐bearing  sands  for  several  DEM samples, normalized with mean bond stiffness, versus coordination number (a is the radius of the cement and d the particle diameter) (gc stands for grain coating)  

   

Page 43: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

43 

Freshwater lake to salt water sea causing widespread hydrate dissociation in 

the black sea  

V. Riboulot, S. Ker, et al.  IFREMER, REM‐GM, CS 10070, 29280 Plouzané, France  The Black Sea deserves attention for decades partly due to the fact that the Danube deep‐sea fan is one of the largest sediment depositional systems in the world, and also because it is considered the world's most  isolated sea,  the  largest anoxic water body on  the planet and a prolific petroleum basin. Due to the high sediment accumulation rate with high input of organic materials from the Danube River, the Black sea sediment offshore the Danube delta  is  rich  in microbial  gas.  Seismic  data  in  the  area  show widespread  occurrence  of Bottom Seismic Reflector,  indicative of extensive development of hydrate accumulations (Ker et al., 2019). The geomorphological analysis of the continental slope north‐east of the Danube canyon reveals  complex  sedimentary  processes  such  as  seafloor  erosion  and  instability,  mass wasting,  gas  hydrate  accumulations  and  fluid  migration  features.  The  imprint  of geomorphology  seems  to  dictate  the  location  of  gas  seeps  (GHASS  cruise,  DOI: 10.17600/15000500). More  than  1400  gas  seeps  within  the  water  column  have  been detected between 200 m and 800 m water depth using acoustic records. Only 2% of gas flares  were  detected  within  the  Gas  Hydrate  Stability  Zone  (GHSZ).  At  the  landward termination  of  the  GHSZ,  numerous  gas  seeps within  the water  column  are  detected. These  results  suggest  a  geomorphological  control  of  the  degassing  processes  at  the seafloor constrained by the occurrence of gas hydrates (Riboulot et al., 2017). In  addition,  the  study  of  the  gas  hydrate  dynamics  in  the  Black  Sea  showed  hydrate dissociation due  to  salt diffusion  is  the dominant process occurring between 660 m and 720 m of water depth (Riboulot et al., 2018). Indeed, the Black Sea was a freshwater lake before  9000  year  B.P.  After  the  reconnection  with  the  Mediterranean  Sea  via  the Bosphorus  strait,  the  salinity  content  at  the  sea  bottom  increased  up  to  the  current concentration.  Geotechnical  simulation  results,  based  on  the  analysis  of  a  consistent multidisciplinary  dataset,  predict  that  recent  and  forthcoming  salt  diffusion  within  the sediment may destabilize gas hydrates by  shrinking  the extension and  thickness of  their thermodynamic stability zone. The communication will present scenarios of simulation on how  the existing gas hydrate  stability  zone will evolve over  time,  and will  subsequently trigger destabilization of gas hydrates covering at least 2800 square kilometres of the Black Sea margin. This process  is predicted  to occur  in a region prone  to kilometre‐scale slope 

failures which may trigger the release of 4.2 x 1010 to 2.1 x 1011 m3 of methane into the sea. Ker, S., Thomas, Y., Riboulot, V., Sultan, N., Bernard, C., Scalabrin, C.,  Ion, G., Marsset, B., 2019. Anomalously deep BSR  related  to  a  transient  state  of  the  gas  hydrate  system  in the western Black Sea. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 20, 442‐459. Riboulot,  V.,  Cattaneo,  A.,  Scalabrin,  C.,  Gaillot,  A.,  Jouet,  G.,  Ballas,  G.,  Marsset,  T., Garziglia,  S.,  Ker,  S.,  2017.  Control  of  the  geomorphology  and  gas  hydrate  extent  on widespread gas emissions offshore Romania. BSGF‐Earth Sciences Bulletin 188, 26. 

Page 44: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

44 

Riboulot,  V.,  Ker,  S.,  Sultan,  N.,  Thomas,  Y.,  Marsset,  B.,  Scalabrin,  C.,  Ruffine,  L., Boulart,  C.,  Ion, G.,  2018. Freshwater  lake  to salt‐water sea causing widespread hydrate dissociation in the Black Sea. Nature communications 9, 117. 

   

Page 45: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

45 

  

 

 

LIST OF POSTERS    

Page 46: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

46 

Page 47: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

47 

Quantitative study of CO2‐CH4 and N2‐CH4 mixed clathrate hydrates using gas chromatography, Raman and IR reflectance spectroscopy: Application to icy 

moons 

E. Le Menn1, G. Tobie1, H. Marais1, D. Nna Mvondo1, A. Oancea1, C. Faugerolles1, O. Grasset1, S. Le Mouélic1 

1 Laboratoire de Planétologie et Géodynamique, UMR‐CNRS 6112, Université de Nantes, France   Icy moons are complex water‐rich environments, where carbon dioxide, methane, nitrogen and other volatile species co‐exist with water ice and liquid water at depth.   The existence of a massive atmosphere composed primarily of N2 and CH4 on Saturn’s moon Titan as well as  the detection of CO2  and CH4  in  the  vapour plume  emanating  from  the  south pole of Enceladus  suggests  chemical  exchanges  with  the  icy  surface  and  subsurface,  potentially involving  clathrate hydrates. Based on  IR  spectra of CO2  clathrate hydrate experimentally acquired at LPG (Nantes) (Oancea et al. Icarus 221(2012) 900‐910), CO2 clathrate hydrate has been identified at the surface of Enceladus (Combe et al. Icarus 317 (2019) 491‐508), which constitute  the  first detection of  clahtrate hydrate outside  the  Earth.      Future missions  to Jupiter and Saturn’s systems may potentially reveal other gas clathrates. Acquiring reference data is essential for the analysis and interpretation of future observations.  In this context, we have performed two series of experimentations on H2O‐CH4‐N2 and H20‐CH4‐CO2 systems.  Mixed clathrate hydrates were synthetized in control conditions using an autoclave  coupled  to  a  gas  chromatographer.  The molar  composition  of  the  synthetized clathrates  for  various  gas  composition  were  monitored  using  gas  chromatography.  We observe an enrichment of CH4 over the N2 in the considered range of reactant mole fraction 

(0.04 ≤ CH4 ≤ 0.7)(Nna MVondo et al. in revision). Preliminary results obtained on the CH4‐CO2 system indicate an enrichment of CO2 in the considered range of reactant mole fraction 

(0. 4 ≤ CH4 ≤ 0.85). For each synthesized sample, near‐infrared spectroscopy from 10000 – 2000 cm‐1 

 (1 to 5 

μm) as well as Raman scattering from 50 – 4000 cm‐1 were carried out, in order to identify discriminating criteria for possible detection by remote and in‐situ observations of icy bodies of the outer Solar System. For each type of clathrate, we have identified the characteristic absorption band in the infrared.  Our experimental results indicate that the identification of CH4‐N2 binary clathrate and CH4‐CO2 clathrate is from IR reflectance spectra is possible, 

though challenging. It remains, however, difficult to constrain precisely the composition of detected clathrates. The best approach remains in‐situ Raman spectroscopy, which may be possible in future landing missions, such the Dragonfly mission to Titan just selected by NASA, or other missions to Europa, Enceladus and Triton currently under evaluation by NASA and ESA.  

Page 48: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

48 

   

Page 49: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

49 

 Influence of alkaline feldspars‐surrogates on the formation kinetic and the selectivity of 

CO2‐N2 mixed hydrates: investigation by neutron scattering and Raman spectroscopy 

Morgane LEMAIRE1,2, Marc DUSSAUZE2, Claire PETUYA3, Vivian NASSIF4, Bertrand 

CHAZALLON1, Arnaud DESMEDT2 

1Univ. Lille, CNRS, UMR 8523 ‐ PhLAM‐ Physique des Lasers Atomes et Molécules, F‐59000 

Lille, France 2Univ. Bordeaux, CNRS UMR 5255 ISM‐ Institut des Sciences Moléculaires, 33405 Talence, 

France 3JPL NASA PASADENA, 4800 Oak Grove Dr, 91109, Pasadena, U.S 4Institut Laue Langevin / Institut NEEL CNRS/UGA UPR2940, 38042 Grenoble, France 

 

A lot of methods have been developed to extract hydrocarbons from hydrate‐bearing 

sediments.1,2 These different approaches based on promoting the in situ dissociation of gas 

hydrates, also produce  some  sand  that  leaded engineering, economic, environmental and 

safety  issues.2,3  An  alternative  approach  is  the  methane  recovery  by  carbon  dioxide 

replacement in natural gas hydrates. This method is more efficient with CO2‐N2 gas mixture, 

instead of pure CO2, because of the preferential cage occupancy of the CO2.3,4 Petuya et al. 

(2018)4 showed that, for this gas mixture, the N2 would not  impede the hydrate formation 

and CO2 may  trigger mixed hydrate  formation. Because of  the  industrial relevance, special 

interest  is  given  to  the  natural  sediment  influence  on  this  mixed  hydrate.  Natural  gas 

hydrates are  found more easily  in coarse sediments whose size exceeds 125 μm thanks to 

the grater permeability but with a low formation kinetic. When the grains are less than 125 

μm, the mineralogical surface in contact with water and gas is increased thus promoting gas 

hydrate formation.5 Aluminosilicates (sodium, calcium and potassium feldspar) are minerals 

with Si‐Al substitution and charged with alkaline. This replacement allows them to have both 

larger  reaction and hydrophobic  surface, promoting CO2‐hydrate dissociation.6 Our  recent 

study, using the high‐resolution neutron two‐axis powder diffractometer  (D1B‐ILL) showed 

that alkaline surrogates (sodium and calcium silicate) act like inhibitor of the induction time 

but allow to reach the diffusion plateau faster than a silica powder substrate. This inhibitory 

behaviour  on  the  formation  kinetics  of  CO2‐hydrate  and  CO2‐N2 mixed  hydrate may  be 

attributed to reactions between the surrogate, the ice and the host gas. Indeed, the alkaline‐

silicate  surrogate  could  interact  with  the  carbon  dioxide  and  the  ice  to  form  some 

carbonates,  that  act  like  an  inhibitor  of  hydrate  formation.  Moreover,  additional 

investigations using Raman microspectroscopy, shows that carbonate formation is recurrent, 

both with sodium and calcium silicate. In order to further investigate their influence on gas 

hydrate  properties,  the  selectivity  studies  were  carried  out  with  50%CO2‐N2  mixed  gas 

hydrate, showing that the presence of alkaline ions influenced this parameter by decreasing 

CO2 selectivity. Indeed, the more the surrogate is charged with alkaline, the more the mixed 

Page 50: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

50 

hydrate is selective in N2. Thus, the chemical composition of the surrogates, in particular the 

alkaline, plays a key role in the gas hydrates formation.  

Acknowledgements: This work is supported by ANR‐15‐CE29‐0016 MI2C.  

References:  (1) Moridis G.  J.  et  al,  SPE Reservoir  Eval.  Eng.  2009,  12  (5),  745−771.  //  (2) 

Boswell R., Fire in the ice, 2013, 412, 386‐7614, http://www.netl.doe.gov/ research/oil‐and‐

gas/methane‐hydrates/fire‐in‐the‐ice. // (3) Qin J. and Kuhs W.F., J. Chem. Eng. Data, 2015, 

60, 369–375. // (4) Petuya C. et al., Chem. Commun. 2018, 54, 4290‐4293. // (5) Sun S. C. et 

al.,  J CHEM Thermodyn. 2014, 69, 118‐124.  //  (6) Kumar A. et al.,  Fuel. 2013, 105, 4175‐

4187. 

   

Page 51: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

51 

Using quantum mechanics modeling for investigating the structural properties of strong acid hydrates 

 S. Espert 1,2, D. Sanchez Portal2, A. Desmedt 1 1 Groupe Spectroscopie Moléculaire,  ISM UMR5255 CNRS  ‐ Univ. Bordeaux, 33405 Talence, France 2 Centro de Física de Materiales CSIC‐UPV/EHU and DIPC, Paseo Manuel de Lardizabal 5, E‐20018, Donostia – San Sebastián, Spain.  

 Designing  new  devices  dedicated  to  energy  storage  and  production  is  at  the  center  of nowadays concerns. In this area, the development of new electrolyte is of prime importance. Clathrate  hydrates  systems  represent  an  opportunity  as  a  new  electrolyte  for  fuel  cells recently patented [1], for which fundamental questions are opened. Clathrate hydrates are nanoporous  ice‐like  structure, where H‐bonded water molecules  form  cages within which guest molecule can be trapped [2]. These systems possess interesting properties depending on the nature of the  invited molecules, due to their nanostructuration and to their specific physical‐chemistry  properties  [3].  In  the  case  of  gas  hydrates,  the  guest  molecules  are gaseous species and new approaches for gas storage and separation (CO2, CH4, H2 etc) are thus developed [4]. When acidic species are encapsulated, clathrate hydrates are classified as  super‐protonic  conductivitor,  due  to  the  encapsulation  of  anionic  species  generating delocalized protons into the cationic cage network [5,6,7]. The best conductivity is found for strong acid molecules and more specifically for the HPF6 hydrates [8,9].  One important issue in the HPF6 hydrates is associated with the existence of impurities (e.g. H3PO4) due to the high reactivity of the fluorine anion. They have been identified by means of  Raman  scattering  and  conductivity  measurements  reveal  the  importance  of  these impurities  in  the  proton mobility  [8].  Locating  these  impurities  at  a molecular  scale  is  a fundamental question for  improving the electrolytic properties of the strong acid hydrates. Quantum mechanics calculations are appropriated tools for investigating such a property in the Density Functional Theory (DFT) approximation. The stability of the strong acid hydrates including  impurities has been computed  for various DFT parameters. One of  the challenge was  to  select  the  appropriated  functional  for  describing  a  system  exhibiting  weak interactions such as H‐bond, together with strongly localized ionic interactions between the species.  These  calculations  yield  to  construct  a  stable  strong  acid  hydrate  incorporating impurities.  This  static  model  can  then  be  used  to  perform  molecular  dynamics  (MD) simulations  in order  to  introduce  the kinetic energy  in addition  to  the potential energy  to reproduce  the hydrate.  To  take  into  account  for  the  ionic  character of  the  system,  these simulations have been performed in the frame of the first principle approximation by means of  DFT‐MD  simulations.  It  yields  to  produce  atomic  trajectories  reproducing  the  proton mobility and  thus provide  information  to understand  the underlying  factors governing  the super‐protonic conductivity mechanism. The validation of this advanced quantum mechanics calculations  is  envisaged  in  the  near  future,  through  the  comparison  of  MD‐derived scattering  laws  with  experimental  ones  obtained  by  means  of  (quasi‐elastic)  neutron scattering.   

Page 52: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

52 

[1] Desmedt et al, patent FR 18 53886, 4 may 2018. [2] E.D. Sloan and C.A. Koh, Clathrate Hydrates of Natural Gases, 2008; Taylor & Francis‐CRC Press: Boca Raton, FL. [3]  Broseta  et  al,  Gas  hydrates  1:  Fundamentals,  Characterization  and  Modeling,  2017; WILEY‐ISTE, London. [4] Ruffine et al, Gas hydrates 2: Geosciences and Applications, 2018; WILEY‐ISTE, London. [5] Desmedt et al, J. Chem. Phys. 121(23) (2004) 11916–11926 [6] Desmedt et al, Solid State Ionics, 252 (2013) 19‐25 [7] Bedouret et al, J. Phys. Chem. B, 118 (2014) 13357‐13364.  

[8] Cha et al, J. Phys. Chem. C,112 (2008) 13332‐13335. [9] Desplanche S., PhD Univ. Bordeaux (2018) – articles in preparation.  

Page 53: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

53 

Study of Methane Hydrate Formation in Fontainebleau Sand Using X‐Ray Computed Tomography 

L. Bazinet1, F. Benmesbah1,2, M. Rovere1, O. Fandino1, L. Ruffine1, L. Fournaison², A. Delahaye², P. Clain², 3, V. Osswald² 

1 IFREMER, Dép Ressources Physiques et Ecosystèmes de Fond de Mer (REM), Unité des Géosciences Marines, 29280 Plouzané 2 IRSTEA, Dép Ecotechnologie, Unité Génie des Procédés Frigorifiques, 1 Rue Pierre‐Gilles de Gennes, CS 10030; 92761 Antony Cedex 3 Leonard de Vinci Pôle Universitaire, 12 Av Léonard de Vinci, 92916, Paris La Défense    Natural gas hydrates occur abundantly in nature, such as in the Artic regions and in marine sediments.  The  formers  grow  in  the  oceanic  slopes  of  the  continental margins  at water depths in between 350 and 5000 meters and they entrapped a large amount of gas primarily formed by microorganisms that live in the deep sediment. The massive hydrate dissociation could lead to a landslide or slope failure resulting in an instability of the oil platforms or, due to their proximity to the cost, even tsunamis. Often marine gas hydrates are associated with chemosynthetic communities  living at cold seeps as they represent a tremendous reservoir of methane  used  for  energy.  In  nature,  the  hydrate  distribution  is  a  function  of  several parameters such as the mineralogy of the sediment, the degree of saturation  in water and the mode of  transport of  the gas  in  the porous space. The study of  the  influence of  these parameters on the distribution of hydrates would make  it possible to better estimate their volume in marine sediments.   Amongst potential applications of gas hydrates being under investigations include industrial processes such as cold storage and distribution in refrigeration. The use of a porous medium will  influence  the hydrate  formation kinetics and will work as a hydrate promoter without altering their stability. Understanding the mechanisms of hydrate formation in porous media are key for the optimization and exploitation of novel refrigeration systems.    The objective of  this work,  led both by  Ifremer and  Irstea,  is  to study  the  influence of  the degree of saturation in water on the distribution of methane hydrates. Hydrates are formed in a matrix of Fontainebleau sand with different degrees of saturation using a high‐pressure cell  equipped with  separated  gas  and water  injection  devices  in  order  to  reproduce  the seafloor fluid circulation. Water and hydrate distribution in the porous media are analyze by X‐Ray  Computed  Tomography.  In  this  communication,  we  will  present  the methodology developed for the CT Scan analysis, and preleminary results from recent experiments.   

Page 54: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

54 

   

Page 55: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

55 

  

NOTES           

Page 56: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

56 

   

Page 57: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

57 

   

Page 58: booklet journe´es-hydrates 2019 V4...methane hydrate at pore scales 16:40 Venet et al.: Cascades of hydrate filaments promoted by a porous substrate, activated charcoal 17:00 Le et

Journées Hydrates, Brest, 09‐13 septembre 2019 

58