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ANDRA
© ANDRA – Direction Scientifique MOMAS – Journées Multiphasiques- septembre 2008
Benchmark Couplex-Gaz
Synthèse des résultats et enseignements
Jean Talandier
Andra
ANDRA
© ANDRA – Direction Scientifique MOMAS – Journées Multiphasiques- septembre 2008
Couplex – Gaz regroupe 2 cas tests:
- Modélisation 2D d’une alvéole de déchets de Moyenne activité à vie longue début juin 2006- fin janvier 2007 workshop 4 et 5 avril 2007
- Modélisation 3D d’une zone de stockage de déchets vitrifiés début avril 2007 – fin février 2008
Comité scientifique composé de :Andro Mikelic, Paul Marschall, Olivier Pironneau, Michel Vauclin, Jacques Wendling
L’exercice Couplex-Gaz est organisé par l’Andra en coopération avec MOMAS
Couplex-Gaz
Proposer des cas de calcul concrets représentatifs des spécificités du stockage souterrain
Organisation et planning
ANDRA
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Principaux objectifs de l’exercice Couplex-Gaz
Améliorer la confiance dans les outils de calcul utilisés pour évaluer l’impact des gaz sur le stockage
Identifier les difficultés numériques associées à la simulations des écoulements biphasiques en milieux poreux dans le contexte du stockage
Mettre en lumière de nouvelles méthodes numériques et de nouveaux outils
Comment estimer paramètres critiques : La pression maximale de gaz, la saturation autour des colis et les flux d’eau induits par les surpressions de gaz
Identifier des équipes avec lesquelles l’Andra puisse travailler pour ses prochaines campagnes de simulations
Couplex-Gaz
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Participants pour Couplex-Gaz 1
• CEA (F. Caro)
• Colenco (A. Pollers, J. Croisé)
• ECN/Université de Toulon (M. Saad, C. Galusinsky)
• EDF (S. Granet, C. Chavant)
• GRS (V. Javeri)
• Intera (R. Senger)
• IRSN/Université de Pau (B. Amaziane, M. Dymitrowska, M. El Ossmani, C. Serres)
• Socotec (L.-V. Benet)
• Université de Liège (R. Charlier, F. Collin, P. Gerard, J.P. Radu)
Couplex-Gaz
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Participants pour Couplex-Gaz 2
• Colenco/LBL (J. Croisé, K. Zhang)
• EDF (S. Granet, M. Ben-Sekkou, C. Chavant)
• GRS (V. Javeri)
De 9 participants pour le premier test (2D) à 3 participants pour le second (3D)
(Comparaison avec l’exercice Couplex (A. Bourgeat & Al, 2001) 8 participants Couplex1, 4 participants Couplex2)
Couplex-Gaz
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Fort contrastes de propriétés
• Perméabilité
• Porosité
• Pression d’entrée de gaz
• Courbes de rétention capillaire et de perméabilité relative
Callovo-Oxfordien
Zone endommagée
Zone f racturée
Béton de remplissage
Béton de colis
Colis primaire
J eux résiduels
Milieu Géologique (Callovo-Oxfordien)-
Zone endommagée
Zone f racturée
Béton de remplissage
Béton de colis
Colis primaire
J eux résiduels
Callovo-Oxfordien
Zone endommagée
Zone f racturée
Béton de remplissage
Béton de colis
Colis primaire
J eux résiduels
Milieu Géologique (Callovo-Oxfordien)-
Zone endommagée
Zone f racturée
Béton de remplissage
Béton de colis
Colis primaire
J eux résiduels
Couplex-Gaz Cas 1
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Fin de l’injection de gaz
Pression de gaz dans la zone colis
0
20
40
60
80
100
120
0 5000 10000 15000
Temps (an)
pro
du
cti
on
H2
(m
ol/
an
)
Première phase d’injection de gaz
Couplex-Gaz Cas 1
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Pression de gaz à 500
ans
Pression de gaz à 10000
ans
CEA 6.2 8.1
Colenco
5.2 6.2
EDF 5.4 6.7
GRS 5.2 6.7
IRSN 4.5 7
Socotec 5.6 7
ULG 5.5 6.9
Quelques indicateurs…
Pression de gaz maximum
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 20000 40000 60000 80000 100000
Time (year)
Wat
er sa
tura
tion
ULG
EDF
GRS
socotec
colenco
Saturation en eau dans la zone colis
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 20000 40000 60000 80000 100000
Wat
er s
atur
atio
n
Time (year)
ULG
GRS
socotec
colenco
EDF
Temps d’atteinte Sw=99%
Temps d’atteinte Sw=99.8%
CEA 52 000 181 000
Colenco
60 000 (extrapolation)
EDF 58 000 60 000
GRS 66 000 70 000
Intera 90 000 (extrapolation)
Socotec
86 000 87 000
ULG 89 000 90 000
Couplex-Gaz Cas 1
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Phase de production de gazBonne cohérence sur la pression et sur la saturation en eau
Phase de resaturation de la zone colisBonne concordance de la pression de gazLa saturation en eau est difficile à évaluer durant cette phase
t = 50 000 ans
Pg Sw
Colenco 4.64 0.71
EDF 4.36 0.74
GRS 4.65 0.58
Socotec 4.64 0.35
ULG 4.67 0.36
t = 10 000 ans
Pg Sw
Colenco 6.2 0.17
EDF 6.7 0.15
GRS 6.7 0.2
Socotec 7 0.13
ULG 6.9 0.15
Couplex-Gaz Cas 1
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Pression de gaz dans le Cox Saturation en eau dans le Cox
La saturation en eau est inférieure à 99% dans l’argilite saine
Forte dépendance vis à vis du modèle utilisé
Partie de la courbe utilisée
0,990
0,992
0,994
0,996
0,998
1,000
1 10 100 1000 10000 100000
Time (year)
Wat
er s
atu
rati
on
ULG
GRS
Socotec
Colenco
EDF
Couplex-Gaz Cas 1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1 10 100 1000 10000 100000
Time (Year)
Gas
Pre
ssu
re (
MP
a)
ULG
GRS
Socotec
Colenco
EDF
ANDRA
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Stratégies de maillage
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
colenco grs intera ulg socotec cea edf
Nombre de mailles
Couplex-Gaz Cas 1
ANDRA
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Couplex-Gaz – Cas 2
Modélisation 3D d’une zone de stockage
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galeries
Alvéoles
Scellements
Scellements
Cox
Motif retenu pour le benchmark
Couplex-Gaz – Cas 2
ANDRA
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Pression de gaz (MPa) à 4500 ans
Colenco 7.3
EDF 8
GRS 7.7
Temps d’atteinte Sw=99%
Colenco 39 000
EDF 60 000
GRS 45 000
Pression de gaz maximale dans le domaine Temps de resaturation
Evolution de la saturation en eau dans la galerie
Couplex-Gaz – Cas 2
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
satu
rati
on e
n ea
u
Temps (an)
Colenco
GRS
edf Galerieprincipale
ScellementAlvéoles Bouchons Galerie d’accès
y
x
ANDRA
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y
x
ANDRA-Benchmark Case 2A: Three Dimensional Gas Transport
0
1
2
3
4
5
100 1000 10000 100000Time in Years
Gas
Out
-Flo
w in
kg/
Yea
r
0
500
1000
1500
2000
2500
Ga
s O
ut-
Flo
w in
mo
l/Ye
ar
Access Drift: x = 100 mAccess Drift: x = 250 mAccess Drift: x = 370 mMain-Drift-One-EndMain-Drift-Both-Ends
Couplex-Gaz – Cas 2
GRS
Saturation en gaz dans la galerie d’accès(coupe verticale - EDF)
t =0
t =1000 ans
Resaturation par la galerie :
Forte influence de la condition à la limite Sw=1 sur
le scellement
ANDRA
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Couplex-Gaz – Cas 2
Choix pour le calcul
Nombre de mailles
Colenco (16 processeurs)
6h 42mn
GRS 15h 50 mn
EDF 5 jours
Temps de calcul
Code Méthode de discrétisation
Colenco
Tough2_MP/eos5
VF
EDF Code_Aster EF
GRS Tough2/eos7 VF
ANDRA
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Couplex-Gaz – Cas 2
Stratégies proposées
Colenco : Calcul parallèle et décomposition de domaine Utilisation du code de calcul Tough2-MP
(K. Zhang, Y. Wu and K. Pruess, Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory)(METIS + AZTEC + MPI )
GRS : Réduction du nombre de mailles / Réduction du domaine de calcul en fonction des indicateurs attendus
Objectif: Proposer des solutions pour alléger le calcul
Galeried’accès
Alvéole Alvéole
Béton
Milieu géologique
z
y
Bentonite
Galeried’accès
Alvéole Alvéole
Béton
Milieu géologique
z
y
z
y
Bentonite
Epaisseur de la couche géologique~130m
6m
ANDRA
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ANDRA-Benchmark Case 2: Three Dimensional Gas Transport(Element A7552: x = 250 m, y = 50 m, z = 65 m)
0
2
4
6
8
10 100 1000 10000 100000 1000000Time in Years
Gas
Pre
ssur
e in
MP
a
ab07116: Total 3-D-Model, 7821 Elements
ab07141: 3-D-Model only with z = 62 to 68 m, 2133 Elem.
ab07142: 3-D-Model, no COX in y = 0 to 47 and 53 to 100 m, 1097 Elem.
ab07143: 3-D-Model, no COX, 456 Elements
Evaluation de la pression de gaz dans la galerie
Galerieprincipale
ScellementAlvéoles Bouchons Galerie d’accès
y
x
Couplex-Gaz – Cas 2
Nombre d’éléments
Pression de gaz Max Mpa
7821 6.25
2133 6.921097 6.69
456 6.78
GRS
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Conclusion et enseignements
• Bon niveau de mobilisation avec 10 équipes impliquées, issues de 5 pays différents
• Résultats intéressants sur l’ensemble des modélisations proposées avec notament une large variété de choix de méthodes de résolution • Résultats concordants pendant les phases de production de gaz les plus intenses
permet d’accroitre la confiance sur certains indicateurs (ex: pression de gaz) et sur le comportement global du système
• Difficultés pour modéliser la phase de resaturation (atteinte de l’équilibre hydraulique)
une certaine dispersion des résultats pour cette phase
• Difficulté à motiver les équipes sur des benchmarks 3D
Quelques voies de progrès…
Homogénéisation du terme de source de gaz
Simulation à plus grande échelle
ANDRA
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Nombre d'éléments
1 2 3 4 5 6 7
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7
Temps de calcul
Nombre d’éléments dans le maillage
Le temps total de simulation n’est pas le même Pour chaque simulation (50000 1 million années)
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
800000
900000
1000000
1 2 3 4 5 6 7
Difficultés de convergence au début de simulation et quand le domaine est
proche de la saturation totale à la fin de la simulation
ANDRA
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0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Time (year)
Wat
er s
atu
rati
on
ULG
EDF
GRS
Colenco
Equilibration phase 0 ~300 years
Water saturation in concrete Initial conditions Pw and Sw
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
50 55 60 65 70 75 80
z (m)
Pw
(M
Pa)
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
50 55 60 65 70 75 80
Z (m)
Wat
er s
atu
rati
on
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
0 20 40 60 80 100 120
z (m)
Pw
(M
Pa
)
EDF
ULG
Socotec
Water pressure at 250 years
ANDRA
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Group Code Cas 1a Cas 1b Discretisation methods
CEA Cast3M x x FVE MPFA
COLENCO Tough2_MP/eos5 x x IFD
EDF Code_Aster x x FE
GRS Tough2/eos7 x IFD
INTERA Tough2/eos5 & Tmvoc
x x IFD
SOCOTEC Cast3M x x FE
ULG Lagamine x x FE
Equipes et codes de calcul