Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le cadre des études de faisabilité du stockage du dioxyde de carbone en couches géologiques profondes, et portent plus particulièrement sur l'évolution des propriétés de confinement de roches-couvertures de type argilite, soumises à des fluides enrichis en CO2. Pour ce faire, les argilites de Tournemire (Aveyron, France) ont été utilisées comme roches analogues, après avoir identifié leurs possible points de faiblesse vis-à-vis du stockage, à savoir leur minéralogie, la présence de fissures naturelles remplies de calcite et la présence d'interfaces ciment/argilite attendues au niveau des puits d'injection rebouchés. Le montage expérimental de type " diffusion à travers " a été adapté pour permettre d'estimer (i) la possible modification des paramètres de transport diffusif enregistrés, avant et après attaque acide, pour les différents traceurs radioactifs (tritium et chlore-36) et non-radioactifs (deutérium et bromure) utilisés pour caractériser les échantillons d'argilite de Tournemire et de pâte de ciment et (ii) l'évolution des compositions chimiques des solutions contenues dans les réservoirs amont et aval des cellules de diffusion au cours des attaques acides. Enfin, l'analyse des solides a été réalisée pour partie par MEB-EDS, µTomographie-X et DRX. Tout d'abord, pour l'ensemble des échantillons étudiés, les valeurs des paramètres de transport déterminées avant attaque acide (coefficient de diffusion effectif et porosité) sont cohérentes avec celles de la littérature. En outre, il apparaît que tous les matériaux ont fortement réagi aux attaques acides. Ainsi, les argilites ont vu leurs paramètres de diffusion augmenter jusqu'à un facteur deux, notamment pour les traceurs anioniques, et ce, quelque soit la proportion de minéraux carbonatées présents initialement dans les échantillons d'argilite. Les observations post-mortem ont permis l'identification d'une zone de dissolution des minéraux carbonatés en leur au sein, mais dont l'extension (400 µm au maximum) ne peut à elle seule expliquer cette importante dégradation des propriétés de confinement. Seuls des phénomènes non observables à l'échelle d'investigation, tels des effets de digitation au sein du réseau poreux pourraient en être à l'origine. Par ailleurs, les échantillons d'argilites recoupés par des fissures naturelles ont systématiquement développé des courts-circuits hydrauliques, qui s'expliquent par la mise en place d'un processus de chenalisation préférentielle au sein même de la fissure, observé au MEB-EDS et par µTomographie X. De plus, les matériaux cimentaires ont vu leurs propriétés de confinement améliorées, et ce, plus le fluide d'attaque était proche de la neutralité. Ceci est lié à l'apparition d'une croûte de calcite d'environ 30 µm d'épaisseur, situé à l'avant d'une zone de dissolution, dont l'épaisseur est proportionnelle à la quantité d'acide en solution. Cette croûte imperméable, obstruant la porosité, serait responsable de la diminution des paramètres de diffusion, observée à l'échelle de l'échantillon, ainsi que le reproduisent les simulations numériques. Enfin, les interfaces ciment/argilites n'ont pas révélé de changement de leurs propriétés de confinement à l'échelle globale, la dégradation des argilites étant compensé par l'aggradation du ciment via la formation de cette croûte de calcite.

Ces travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre des études de faisabilité du stockage du dioxyde de carbone en couches géologiques profondes, et portent plus particulièrement sur l’évolution des propriétés de confinement de roches-couvertures de type argilite, soumises à des fluides enrichis en CO2. Pour ce faire, les argilites de Tournemire (Aveyron, France) ont été utilisées comme roches analogues, après avoir identifié leurs possible points de faiblesse vis-à-vis du stockage, à savoir leur minéralogie, la présence de fissures naturelles remplies de calcite et la présence d’interfaces ciment/argilite attendues au niveau des puits d’injection rebouchés. Le montage expérimental de type « diffusion à travers » a été adapté pour permettre d’estimer (i) la possible modification des paramètres de transport diffusif enregistrés, avant et après attaque acide, pour les différents traceurs radioactifs (tritium et chlore-36) et non-radioactifs (deutérium et bromure) utilisés pour caractériser les échantillons d’argilite de Tournemire et de pâte de ciment et (ii) l’évolution des compositions chimiques des solutions contenues dans les réservoirs amont et aval des cellules de diffusion au cours des attaques acides. Enfin, l’analyse des solides a été réalisée pour partie par MEB-EDS, µTomographie-X et DRX. Tout d’abord, pour l’ensemble des échantillons étudiés, les valeurs des paramètres de transport déterminées avant attaque acide (coefficient de diffusion effectif et porosité) sont cohérentes avec celles de la littérature. En outre, il apparaît que tous les matériaux ont fortement réagi aux attaques acides. Ainsi, les argilites ont vu leurs paramètres de diffusion augmenter jusqu’à un facteur deux, notamment pour les traceurs anioniques, et ce, quelque soit la proportion de minéraux carbonatées présents initialement dans les échantillons d’argilite. Les observations post-mortem ont permis l’identification d’une zone de dissolution des minéraux carbonatés en leur au sein, mais dont l’extension (400 µm au maximum) ne peut à elle seule expliquer cette importante dégradation des propriétés de confinement. Seuls des phénomènes non observables à l’échelle d’investigation, tels des effets de digitation au sein du réseau poreux pourraient en être à l’origine. Par ailleurs, les échantillons d’argilites recoupés par des fissures naturelles ont systématiquement développé des courts-circuits hydrauliques, qui s’expliquent par la mise en place d’un processus de chenalisation préférentielle au sein même de la fissure, observé au MEB-EDS et par µTomographie X. De plus, les matériaux cimentaires ont vu leurs propriétés de confinement améliorées, et ce, plus le fluide d’attaque était proche de la neutralité. Ceci est lié à l’apparition d‘une croûte de calcite d’environ 30 µm d’épaisseur, situé à l’avant d’une zone de dissolution, dont l’épaisseur est proportionnelle à la quantité d’acide en solution. Cette croûte imperméable, obstruant la porosité, serait responsable de la diminution des paramètres de diffusion, observée à l’échelle de l’échantillon, ainsi que le reproduisent les simulations numériques. Enfin, les interfaces ciment/argilites n’ont pas révélé de changement de leurs propriétés de confinement à l’échelle globale, la dégradation des argilites étant compensé par l’aggradation du ciment via la formation de cette croûte de calcite. / This research is part of the studies of feasibility of CO2 storage in deep geological strata, focusing more particularly on the evolution of the confinement properties of cap-rocks type argillite subjected to CO2 enriched fluids. The argillite of Tournemire (Aveyron, France) were used as analog rocks, having identified what their weak points could be face to storage, namely their mineralogy, natural fractures filled with calcite and the presence of interfaces cement / argillite expected in filled injection wells. The "through diffusion" experimental setup has been adapted to estimate (i) the possible modification of diffusive transport parameters recorded before and after acid attack for different radioactive tracers (tritium and chlorine-36) and non-radioactive tracers (deuterium and bromide) used to characterize samples of argillite of Tournemire and cement paste and (ii) the evolution of the chemical compositions of the solutions in the upstream and downstream reservoirs of diffusion cells during acid attacks. Finally, the analysis of solids was carried out in part by SEM-EDS, XRD and X-μTomographie. Firstly, for all the samples studied, the values of the transport parameters determined before acid attack (effective diffusion coefficient and porosity) are consistent with those of the literature. In addition, it appears that all materials have reacted strongly to acid attacks. Thus, argillites saw their diffusion parameters increase up to a factor of two, especially for anionic tracers, and, whatever the proportion of carbonate minerals initially present in samples of argillite. The post-mortem observations have led to the identification of a zone of dissolution of carbonate minerals in them, but whose extension (400 microns or less) can not alone explain the significant degradation of the containment properties. Only unobservable phenomena during investigation scale, such as wormhole effects in porous network could be the cause. In addition, the samples of argillite intruded by natural fractures have systematically developed hydraulic short circuits, which can be explained by the introduction of a process of preferential channeling within the fracture observed by SEM-EDS and X. μTomographie In addition, the more close to neutral was the fluid attack the more cementitious materials saw their confinement properties improved. This is related to the appearance of a crust of calcite about 30 microns thick on the front of a dissolution zone, the thickness of which is proportional to the amount of acid in solution. This waterproof crust, clogging the pores, would be responsible for the decrease in diffusion parameters observed across the sample, and as numerical simulations reproduce it. Finally, the interface cement / claystone showed no change in their confinement properties on a global scale, the degradation of clays being offset by aggradation cement via the formation of the crust of calcite.

Une connaissance plus approfondie du comportement des roches argileuses, et plus particulièrement de leur tenue, s'avère aujourd'hui indispensable dans le cadre de plusieurs thèmes de recherche d'importance croissante : comme couverture des réservoirs pétroliers pour la production d’hydrocarbures et la séquestration de CO2, ou en tant que roche hôte pour le stockage des déchets nucléaires en couches géologiques profondes. Ces roches sont particulièrement difficiles à caractériser expérimentalement du fait de leur très faible perméabilité et de leur sensibilité à l'eau. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des couplages hydromécaniques intervenant dans ces matériaux. Tout d’abord, une contribution à la caractérisation de l’évolution de la structure des roches argileuses soumises à un chargement mécanique est apportée. A cet effet, un essai de compression uniaxiale sur l’argilite de Tournemire associant des observations au MEB et une méthode de corrélation d’images numériques est proposé. Par la suite, des simulations numériques des essais œdométriques ont été réalisées pour appréhender l'influence des propriétés poromécaniques, en particulier de la faible perméabilité sur le comportement de l'échantillon. L’étude des équations de diffusion et les simulations numériques effectuées nous permettent de proposer une méthode de détermination de la perméabilité intrinsèque de ces matériaux. Dans la dernière partie, une étude du comportement d’une roche couverture d’un réservoir pétrolier à grande échelle est réalisée sur un cas synthétique 3D. L’objectif de ce chapitre est d’étudier les variations du champ de contrainte au sein de la couverture au cours de la production du réservoir / Knowledge of shale poromechanical behavior is essential for various environmental issues such as CO2 deep geological storage, high level radioactive waste storage, oil field abandonment… Furthermore, due to their good confinement properties, there are considered as potential host rocks for high level radioactive waste storage. However, their experimental characterization is very complex because of their very low permeability and their saturating fluid sensitivity. The main objective of this study is to improve knowledge of hydromechanical coupling of such a material. To study the structure of argillites under stress, SEM in-situ uniaxial compression test is performed on parallelepiped sample; compression orientation is perpendicular to bedding planes direction. Correlation techniques are used to estimate strain distributions. Second part underlines the key points of shale experimental characterization using the framework of Biot’s mechanics of fluid saturated porous solids. Shales are well known as a more or less transverse isotropy material. The complete methodology to conduct œdometric tests on such sensitive and weakly permeable material is described. Measurements realized on Tournemire argillite are proposed and a comparison with the poroelastic parameters of Meuse / Haute-Marne is given. Furthermore, to investigate hydromechanical coupling, a transverse isotropic poroelastic model is used to estimate the influence of anisotropy on diffusion characteristic time. The experimental data are used in numerical simulations to estimate the intrinsic permeability of the samples. In the last part, the caprock behavior of a petroleum field is studied at large scale with a 3D synthetic model (finite element analysis). The purpose of this last chapter is to study changes in stress field during the oil production