Stabilité et comportement des cavités salines sous sollicitations sismiques: application au stockage souterrain d'hydrogène // mechanical stability of salt caverns under seismic solicitation: application to underground hydrogen storage (uhs)

Topic description

CONTEXTE
Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre du projet européen FrHyGe (Full Qualification in France of Large-Scale Hydrogen Underground Storage and Replication from Germany to All European Countries) partiellement financé par le Clean Hydrogen Partnership n°. Le stockage d'hydrogène dans des cavités salines souterraines présente des défis spécifiques, en particulier dans les régions exposées à la sismicité naturelle et induite. La sécurité et la stabilité de ces systèmes de stockage sous chargement sismique nécessitent une compréhension approfondie de leurs réponses géomécaniques et géophysiques, au-delà du site spécifique de Manosque, afin d'éclairer des applications à l'échelle européenne.
Manosque, située dans le sud-est de la France, constitue une étude de cas clé en raison de son historique sismique, notamment les séismes de et, qui ont causé d'importants dégâts structurels. Ces événements soulignent la nécessité d'analyser les interactions dynamiques entre les ondes sismiques, les cavités salines et les infrastructures de puits. Des méthodologies existantes, notamment celles basées sur des solutions semi-analytiques (Kurosé, ), qui explorent la diffraction des ondes, les spectres de réponse dynamique et les impacts mécaniques dans des roches hôtes élastiques et anisotropes. En adaptant et en étendant ces approches à des milieux viscoplastique tel que le sel, cette recherche vise à établir un cadre scientifique robuste pour évaluer l'intégrité mécanique des cavités salines et des puits dans le cas de sollicitations sismiques extrêmes.
TRAVAIL DE THÈSE
Cette thèse vise à enrichir la compréhension/connaissance scientifique des mécanismes liés aux sollicitations sismiques sur les systèmes de stockage souterrain d'hydrogène. Cet enrichissement s'appuiera notamment sur des analyses et développements s'inscrivant dans le domaine/discipline de la géophysique et de la géomécanique .
Les principaux objectifs de ces recherches sont :
-Analyses qualitatives et quantitatives des données sismiques historiques de la région de Manosque et éventuellement d'autres sites pertinents. De ces analyses nous définirons des scénarios sismiques représentatifs, incluant des événements naturels et induits, qui seront utilisés dans les simulations numériques.
-Modélisation numérique avancée : Développer des modèles numériques tridimensionnels pour simuler la propagation, la diffraction et l'interaction des ondes sismiques avec les cavités salines (vides, sous pressions, etc.). Ces modèles intégreront des modèles de comportement relativement élaborés, telles que des modèles viscoplastiques et endommageables, afin de mieux représenter le comportement mécanique du sel sous conditions dynamiques.
-Analyse de l'endommagement et de la fracturation en quasistatique mais sous l'effet des sollicitations identifiées par l'analyse dynamique. Cette analyse inclura à la fois des modèles continus se basant sur le post-traitement des contraintes et des modèles introduisant les fractures de manière explicite,
-Analyse de la réponse dynamique : Étudier le comportement de l'ouvrage en analysant la distribution et évolution temporelle du champ de contraintes, les points singuliers où la concentration des contraintes se développe, les champs de déformation, les mécanismes d'endommagement et de rupture, etc. des cavités salines et des puits soumis à un chargement sismique. Cette analyse s'appuiera sur des spectres de réponse caractérisés plus haut pour quantifier les effets dynamiques et identifier les conditions de chargement critiques. On considérera les spectres de réponses des cavités avec différents niveaux de remplissage et on examinera leurs effets afin de déterminer les cas les plus critiques.
-Extraire/déterminations des caractéristiques (grandeurs) physiques et géométriques pertinentes dans le cadre d'une telle sollicitation.
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CONTEXT
This PhD thesis is part of the European project FrHyGe (Full Qualification in France of Large-
Scale Hydrogen Underground Storage and Replication from Germany to All European
Countries), partially funded by the Clean Hydrogen Partnership under grant agreement No.
. Storing hydrogen in underground salt caverns presents specific challenges,
particularly in regions exposed to natural and induced seismicity. Ensuring the safety and
stability of these storage systems under seismic loading requires a deep understanding of their
geomechanical and geophysical responses, extending beyond the specific site of Manosque, in
order to inform applications at the European scale.
Manosque, located in southeastern France, serves as a key case study due to its seismic history,
including the earthquakes of and, which caused significant structural damage. These
events highlight the need to analyze the dynamic interactions between seismic waves, salt
caverns, and well infrastructure. Existing methodologies, particularly those based on semianalytical
solutions (Kurosé, ), investigate wave diffraction, dynamic response spectra,
and mechanical impacts in elastic and anisotropic host rocks. This research aims to establish a
robust scientific framework for assessing the mechanical integrity of salt caverns and wells
under extreme seismic loading conditions by adapting and extending these approaches to
viscoplastic media such as salt.

THESIS WORK

This doctoral research aims to advance the scientific understanding of the mechanisms
governing the response of underground hydrogen storage systems to seismic loading. This
advancement will be grounded in analyses and developments situated at the intersection of
geophysics and geomechanics.
The main objectives of the research are as follows:
- Qualitative and quantitative analysis of historical seismic data from the Manosque
region and, where appropriate, from other relevant sites. These analyses will serve to

define representative seismic scenarios that will be used as inputs for numerical
simulations.
- Advanced numerical modeling: Develop three-dimensional numerical models to
simulate seismic wave propagation, diffraction, and interaction with salt caverns
(including empty and pressurized cavities). These models will incorporate sophisticated
constitutive laws, such as viscoplastic and damageable models, to more accurately
capture the mechanical behavior of salt under dynamic conditions.
- Damage and fracture analysis under quasi-static conditions, driven by loading
conditions identified through dynamic analyses. This will include both continuous
models based on post-processed stress fields and discrete models that explicitly
represent fracture initiation and propagation.
- Dynamic response analysis: Investigate the structural behavior of the system by
analyzing the temporal evolution and spatial distribution of stress fields, stress
concentration zones, strain fields, and the mechanisms of damage and failure in salt
caverns and wells subjected to seismic loading. This analysis will leverage previously
characterized response spectra to quantify dynamic effects and identify critical loading
conditions. Different cavern fill levels will be considered to evaluate their influence and
to identify the most critical configurations.
- Identification of key physical and geometrical parameters that govern the system's
response under seismic loading.
- Extension of the modeling framework to other European sites with varying geological
and seismic contexts. This includes assessing the applicability of the developed
methodologies to different storage systems and operational scenarios.
- Development of a probabilistic risk assessment framework to quantify the likelihood
and consequences of structural failure under seismic loading. This will lead to
recommendations for design optimization, operational safety, and monitoring protocols.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Funding further details

Financement d'un établissement public Français