Ce travail de thèse consiste à identifier les propriétés pétrophysiques et de transfert de roches provenant d’un réservoir de grès « tight » en Afrique du nord exploité par ENGIE EPI. Il s’agit d’identifier les liens entre les propriétés de transfert, les propriétés poro-mécanique, la sensibilité au chargement mécanique ou à la saturation en eau, et quelques indicateurs comme la porosité, la distribution des tailles de pores, la perméabilité intrinsèque, les caractéristiques pétrographiques etc. Le but est de pouvoir prédire le comportement de matériaux différents de ceux étudiés dans cette thèse, en utilisant des données d’entrée « facilement » accessibles, fournissant ainsi des outils permettant d’évaluer la qualité d’un nouveau réservoir sans passer par une caractérisation exhaustive, longue et couteuse du matériau constituant ce réservoir / This work of thesis focuses on the identification of the petrophysical and transfer properties of rocks originating from a tight sandstone reservoir in North Africa operated by ENGIE EPI. It needs to identify the links between the transfer properties, poro-mechanical properties, sensitivity to mechanical loading or water saturation, and some indications such as porosity, pore size distribution, intrinsic permeability, petrographic features etc. The aim is to predict the behavior of materials that are different from those that studied in this thesis by using the “easily” accessible input data, providing tools for evaluating the quality of a new reservoir without passing through an exhaustive, long and expensive characterization of the material forming this reservoir.

Cette étude vise à améliorer la compréhension d’un phénomène observé lors de l’exploitation de réservoir de stockage de gaz naturel : la venue de sable dans le puits de forage. Cette venue de sable peut être due à des facteurs structurels ou à une fatigue du matériau suite aux cycles de pression de gaz. Ce travail se concentre sur l’aspect comportement du matériau et il est composé de plusieurs parties complémentaires. Le critère de rupture de type Drucker-Pragger est identifié en contrainte effective triaxiale sans pression de pore. Son utilisation avec pression permet ensuite d’évaluer la pression de gaz critique entrainant la rupture. Cette pression est ensuite appliquée à 80% de sa valeur pour observer si des phénomènes différés peuvent survenir. On a en effet obtenu la rupture dans plusieurs cas après avoir maintenu cette pression pendant un long laps de temps et montré que les cycles de pression endommageaient significativement le matériau. En parallèle, la perméabilité du matériau sous contrainte axiale décroît constamment, malgré sa dilatance, ce qui selon nous, confirme la venue de sable. Enfin nous avons montré que l’endommagement du matériau accroît notablement sa légère anisotropie naturelle et s’accompagne d’un impact très clair sur les couplages poro-mécaniques (coefficient de Biot). Cette partie du travail donne ainsi des outils qui pourraient être utilisés dans la description des effets structuraux induits par les variations de pression de gaz autour du forage. / This study aims to improve the understanding of the phenomenon of sand production around borehole during exploitation of natural gas storage. The source of sand may be due to structural factors or fatigue of the material because of the cyclic injection and extraction of gas pressure. This work focuses on the mechanical behaviors, transport properties and poromechanical proprieties of a sandstone. The Drucker-Pragger failure criterion is identified with triaxial effective stress without pore pressure. It can be used to evaluate the critical gas pressure causing rock failure at constant confining pressure and deviatoric stress. 80% of the critical gas pressure is then applied to observe whether different phenomenon will occur. Several cases of rupture are obtained after maintaining this gas pressure for a long time and cyclic loading-unloading of gas pressure damages the material significantly. At the meantime, the permeability of the material under axial stress decreases constantly even at volumetric dilatation stages which confirms the phenomenon of sand production. Finally, we find that mechanical damage increases its slightly natural anisotropy and it has a very significant influence on the poro-mechanical behaviors (Biot’s coefficient). This part of the work can be used to describe the structural effects induced by gas pressure variation around the borehole

L’IASCC est un mécanisme de fissuration intergranulaire par corrosion sous contrainte (IGCSC) induite par l'irradiation. C’est un phénomène complexe qui peut avoir une influence significative sur le temps et le coût de maintenance des composants internes du coeur des réacteurs à eau pressurisée (REP) et est donc un sujet d'intérêt. Des études récentes ont proposé d'utiliser l'irradiation aux ions (protons) comme une alternative à l'irradiation neutronique afin d’améliorer la compréhension du mécanisme. L'objectif de cette thèse est d’étudier la sensibilité à la fissuration de l’acier austénitique SA 304L irradié aux ions ainsi que les facteurs contribuant à cette fissuration. Deux types d’irradiations aux ions ont été menées (fer et aux protons). Ces deux irradiations ont générées des défauts ponctuels dans la microstructure représentatifs de ceux crées par les neutrons provoquant ainsi le durcissement de l’acier austénitique 304L. Matériel (non irradié et le fer irradié) n'a montré aucune sensibilité à la fissuration intergranulaire sur la soumission à un essai de traction lente SSRT (Slow Strain Rate Test) commencer avec une vitesse de déformation de 5 × 10-8 s-1 jusqu'à 4% de déformation plastique dans un environnement inerte. Il est montré que les deux types d’irradiation aux ions (fer et protons) augmentent la sensibilité à la fissuration intergranulaire du matériau après un essai de SSRT dans un environnement simulé de REP à 340 ° C. La corrélation entre la sensibilité de fissuration et le degré de localisation de la déformation plastique a été étudiée. L’impact de l'irradiation aux ions fer sur l'oxydation du 304L a été aussi étudié grâce à des essais effectués pendant 360 h dans un milieu REP à 340 ° C. Les résultats de cette thèse indiquent que la fissuration intergranulaire de l'acier inoxydable 304L en milieu REP peut être étudiée en utilisant l'irradiation Fe malgré sa faible profondeur de pénétration dans le matériau. Par ailleurs, il est montré que le comportement vis-à-vis de la fissuration est similaire entre une irradiation aux protons et au fer, et ceux malgré une localisation de la déformation moins importante pour ces derniers. Par conséquent, l’irradiation au fer est utilisée pour étudier l'impact de la préparation de surface et des chemins de déformation sur la sensibilité de la fissuration intergranulaire de l’acier 304L. / IASCC is irradiation – assisted enhancement of intergranular stress corrosion cracking susceptibility of austenitic stainless steel. It is a complex degrading phenomenon which can have a significant influence on maintenance time and cost of PWRs’ core internals and hence, is an issue of concern. Recent studies have proposed using ion irradiation (to be specific, proton irradiation) as an alternative of neutron irradiation to improve the current understanding of the mechanism. The objective of this study was to investigate the cracking susceptibility of irradiated SA 304L and factors contributing to cracking, using two different ion irradiations; iron and proton irradiations. Both resulted in generation of point defects in the microstructure and thereby causing hardening of the SA 304L. Material (unirradiated and iron irradiated) showed no susceptibility to intergranular cracking on subjection to SSRT with a strain rate of 5 × 10-8 s-1 up to 4 % plastic strain in inert environment. But, irradiation (iron and proton) was found to increase intergranular cracking severity of material on subjection to SSRT in simulated PWR primary water environment at 340 °C. Correlation between the cracking susceptibility and degree of localization was studied. Impact of iron irradiation on bulk oxidation of SA 304L was studied as well by conducting an oxidation test for 360 h in simulated PWR environment at 340 °C. The findings of this study indicate that the intergranular cracking of 304L stainless steel in PWR environment can be studied using Fe irradiation despite its small penetration depth in material. Furthermore, it has been shown that the cracking was similar in both iron and proton irradiated samples despite different degrees of localization. Lastly, on establishing iron irradiation as a successful tool, it was used to study the impact of surface finish and strain paths on intergranular cracking susceptibility of the material.

La valorisation des réservoirs gaziers compacts, dits Tight Gas Reservoirs (TGR), dont les découvertes sont importantes, permettrait d’augmenter significativement les ressources mondiales d’hydrocarbures. Dans l’objectif d’améliorer la production de ces types de réservoirs, nous avons mené une étude ayant pour but de parvenir à une meilleure compréhension de la relation entre l’endommagement et les propriétés de transport des géomatériaux. L’évolution de la microstructure d’éprouvettes qui ont été soumises préalablement à des chargements dynamiques est étudiée. Une estimation de leurs perméabilités avec l’endommagement est tout d’abord présentée à l’aide d’un modèle de pores parallèles couplant un écoulement de Poiseuille avec la diffusion de Knudsen. Nous avons ensuite mené des travaux expérimentaux afin d’estimer l’évolution de la perméabilité avec l’endommagement en relation avec l’évolution de la distribution de tailles de pores. Les mesures de perméabilité sont effectuées sur des cylindres en mortier similaire aux roches tight gas, soumis à une compression uniaxiale. La caractérisation des microstructures des mortiers endommagés est réalisée par porosimétrie par intrusion de mercure. Afin d’estimer l’évolution de la perméabilité, un nouveau modèle hiérarchique aléatoire est présenté. Les comparaisons avec les données expérimentales montrent la capacité de ce modèle à estimer non seulement les perméabilités apparentes et intrinsèques mais aussi leurs évolutions sous l’effet d’un chargement introduisant une évolution de la distribution de taille de pores. Ce modèle, ainsi que le dispositif expérimental employé, ont été étendus afin d’estimer à l’avenir les perméabilités relatives de mélanges gazeux. Le dernier chapitre présente une étude de l’adsorption de méthane dans différents milieux fracturés par chocs électriques. Les résultats, utiles pour l’estimation des ressources en place, ont montré que la fracturation permet de favoriser l’extraction du gaz initialement adsorbé. / The valorization of compact gas reservoirs, called tight gas reservoirs (TGR), whose discoveries are important, would significantly increase the global hydrocarbon resources. With the aim of improving the production of these types of gas, we have conducted a study to achieve a better understanding of the relationship between damage and the transport properties of geomaterials. The microstructure evolution of specimens, which were submitted beforehand to dynamic loading, has been investigated. An estimation of their permeability upon damage is first presented with the help of a bundle model of parallel capillaries coupling Poiseuille flow with Knudsen diffusion. Then, we have carried out an experimental work to estimate the permeability evolution upon damage in relation to the evolution of the pore size distribution in uniaxial compression. The measurements of permeability have been performed on mortar cylinders, designed to mimic typical tight rocks that can be found in tight gas reservoirs. Microstructural characterization of damaged mortars has been performed with the help of mercury intrusion porosimetry (MIP). To estimate the permeability evolution, a new random hierarchical model has been devised. The comparisons with the experimental data show the ability of this model to estimate not only the apparent and intrinsic permeabilities but also their evolutions under loading due to a change in the pore size distribution. This model and the experimental set up have been extended to estimate the relative permeabilities of gas mixtures in the future. The final chapter presents a study of the adsorption of methane on different porous media fractured by electrical shocks. The results, concerning the estimation of the in-place resources, have shown that fracturing can enhance the extraction of the initial amount of adsorbed gas.

Actuellement, les technologies sont de plus en plus performantes. Elles progressent de jour en jour et la miniaturisation des composants est de plus en plus présente. Dans ce contexte, les structures innovantes dites intelligentes sont de plus en plus utilisées et leurs dimensions diminuent très vite. Les matériaux piézo-électriques ou électro-magnéto-élastiques ont la capacité de changer de forme lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique ou magnétique. Ces matériaux diélectriques peuvent servir comme corps actif dans les capteurs, les transducteurs, les oscillateurs ou encore d'autres éléments actifs. D'un côté, ces matériaux actifs de très petites tailles sont utilisés dans les petits appareils et d'un autre côté, ils utilisent une forte tension électrique afin de provoquer un déplacement maximal et/ou une force d'arrêt. Les structures actives intelligentes sont exposées à différents défauts, tels que le décollement ou le délaminage. Ces défauts peuvent apparaître lors de la fabrication du matériau ou lors de sa mise en service. Les risques de rupture sont alors accrus et la durée de vie utile de la structure est par conséquent fortement diminuée. La rupture par délaminage peut être de plusieurs types : l'apparition d'une fissure dans la couche adhésive ou dans la résine, une fissure provoquée par un décollement à l'interface entre la résine et le renfort. La défaillance qu'elle soit de nature électrique ou mécanique, provoquée par un claquage électrique ou une fissure qui se propage est un problème primordial qui a une influence importante sur la performance et la fiabilité de ces matériaux. Ce travail vise à développer un modèle de fissuration en considérant des conditions aux limites physiques et des chargements externes combinés, à la fois électriques et mécaniques. Si on se réfère au cours de mécanique de la rupture linéaire, la présence d'une fissure provoque des singularités en termes de contraintes en pointe de fissure. Egalement, il est connu que le champ électrique au niveau du front de la fissure est plus grand que sa valeur critique et ceci peut être une cause de rupture diélectrique pour les matériaux céramiques piézoélectriques. La première étape de ce travail concerne la modélisation des zones de pré-fracture dans un matériel piézoélectrique dans le but de formuler un modèle sans les singularités évoquées précédemment. Les zones de chargement mécanique limite et de saturation électrique ont été introduites en pointe de fissure et les conditions des perméabilités limitées ont été introduites à la surface de la fissure. Le modèle de fissuration présenté avec deux zones de pré-fracture permet d'éliminer toutes les singularités au voisinage de la fissure. Dans les zones de pré-fracture, une distribution non homogène des déplacements électriques saturés est considérée. Les résultats contiennent les solutions analytiques et numériques de ce problème. Dans la solution numérique, le code ABAQUS a été utilisé. Dans un deuxième temps, le problème d’une série périodique de fissures est considéré pour un matériau magnéto-électro-élastique. Comme un cas limite, une seule fissure avec la condition de la perméabilité limitée est aussi étudiée. Le problème est résolu de manière exacte et des calculs numériques illustrant l'influence de différentes caractéristiques sur les paramètres de fissuration sont présentés sous forme graphique ou dans des tableaux. Egalement, l'influence de la fraction volumique piézo-électrique dans les matériaux magnéto-électro-élastiques sur les paramètres électro-magnétiques dans la région fissurée est étudiée. Enfin, l'attention est focalisée sur l'application de la zone de pré-fracture en pointe de fissure dans les matériaux magnéto-électro-élastiques. La même façon que précédemment, les zones de chargement mécanique limite et de saturation électrique ont été adoptées. Aussi, une zone analogue à une zone de saturation électrique pour le champ magnétique a été introduite. (...) / Nowadays, technologies are improving day by day and at the same high speed smart structures decrease in size. Piezoelectric or magneto-electro-elastic materials have the ability to change its shape under electric or magnetic field. These dielectrics can serve as working bodies at various sensors, transducers, oscillators, modulators and other active elements. On the one hand these active materials are used in small devices and have very small dimensions; on the other hand they use high electrical voltage in order to receive a maximal displacement and/or blocking force. The active smart structure is predisposed to different defects, like debonding and delamination. These situations may take a place during the manufacture (imperfect bounding) and service life of the active smart structure. Delamination failure can be of several types, such as: fracture within the adhesive or resin, fracture within the reinforcement and debonding of the resinfrom the reinforcement. Electric or mechanical failure, such as electrical breakdown or destruction of cracks is an important problem in performance and reliability of these materials. This work aims to develop the model of crack with physical boundary conditions under combined external loads. Consideration of any crack in the course of linear fracture mechanics initiates (creates) singularities in stresses at the crack tips. As known, the electric field, ahead of crack tip, is bigger than its critical value and this can be a cause of dielectric breakdown in piezoceramics. The first task of the work concerns the modelling of pre-fracture zones in piezoelectric material in order to formulate the model without the mentioned singularities. The mechanical yielding and electric saturation zones have been introduced ahead of crack tips and the limited permeable conditions on crack surfaces have been used. The present model of crack with two pre-fracture zones eliminates all singularities on crack continuation. In pre-fracture zones, a non homogeneous distribution of saturated electric displacement is considered. Results contain analytical and numerical solutions of the problem. In the numerical solution ABAQUS code was used. As the second task the problem for a periodic set of the limited electrically and magnetically permeable cracks is considered for magneto-electro-elastic material. As a limiting case, a single limited permeable crack is studied as well. The problem is solved exactly and some numerical calculations which illustrate the influence of various characteristics on fracture parameters are presented in graphical and tabular form. The influence of the piezoelectric volume fraction in magneto-electro-elastic material on electro-magnetic parameters in the crack regions is studied. As the third task, the attention is focused on application of pre-fracture zone ahead of crack in magneto-electro-elastic materials. Similarly to the previous problem, the mechanical yielding and electric saturation zones have been adopted. Also, analogue of electric saturation zone for magnetic field was considered. The present model of crack with three pre-fracture zones eliminates singularities in mechanical, electric and magnetic fields on crack continuation. The problem is solved exactly. Some numerical calculations which illustrate the influence of various characteristics on fracture parameters are presented in graphical and tabular form.

L'objet de cette thèse est de présenter une étude du comportement thermomécanique des disques de frein automobiles pour la prédiction de leur tenue en fatigue. La stratégie de calcul numérique est repose sur le code de calcul Ansys v.11. Ce dernier qui est basé sur la méthode des éléments finis et qui possède des algorithmes de gestion du contact avec frottement est utilisé pour simuler dans l'application du freinage le comportement du mécanisme malgré son complexité. Dans un premier temps, est présentée une analyse des phénomènes thermiques opérant dans un disque de frein en service (flux de chaleur généré par frottement, gradients thermiques élevés, élévation de température). Cette modélisation est effectuée en tenant compte l'influence d'un certains nombre de paramètre tel que le type de freinage, le mode de refroidissement, les matériaux de conceptions. Ensuite, une étude purement mécanique du contact sec entre le disque et plaquettes est développée avec une bonne prédiction devient un enjeu majeur pour les industriels tout en modélisant le chargement et les conditions aux limites autours du disque. Nous avons utilisé le même code de calcul pour visualiser les déplacements, les déformations globales dans le disque, les contraintes de cisaillement, les contraintes de Von Mises et les outils de contact des plaquettes tout en effectuant une étude paramétrique telle que ( le module de Young des plaquettes, le coefficient de frottement , le type de chargement , la vitesse de rotation du disque ,..) pour voir sa sensibilité sur les résultats de calcul. Ainsi, les analyses faites sur le comportement thermique et mécanique que de ces prototypes montrent que ces types de solutions technologiques représentent de réelles pistes d'amélioration qui répond au besoin de l'ingénieur en charge de la conception des disques de frein.