Global energy consumption will increase in the next decades and it is expected to largely rely on fossil fuels. The use of fossil fuels is intimately related to CO₂ emissions and the potential for global warming. Geological CO₂ storage aims to mitigate the global warming problem by sequestering CO₂ underground. Coupled hydro-chemo-mechanical phenomena determine the successful operation and long term stability of CO₂ geological storage. This research explores various coupled phenomena, identifies different zones in the storage reservoir, and investigates their implications in CO₂ geological storage. Spatial patterns in mineral dissolution and precipitation are examined based on a comprehensive mass balance formulation. CO₂-dissolved fluid flow is modeled using a novel technique that couples laminar flow, advective and diffusive mass transport of species, mineral dissolution, and consequent pore changes to study the reactive fluid transport at the scale of a single rock fracture. The methodology is extended to the scale of a porous medium using pore network simulations to study both CO₂ reservoirs and caprocks. The two-phase flow problem between immiscible CO₂ and the formation fluid (water or brine) is investigated experimentally. Plug tests on shale and cement specimens are used to investigate CO₂ breakthrough pressure. Sealing strategies are explored to plug existing cracks and increase the CO₂ breakthrough pressure. Finally, CO₂-water-surfactant mixtures are evaluated to reduce the CO₂-water interfacial tension in view of enhanced sweep efficiency. Results can be used to identify optimal CO₂ injection and remediation strategies to maximize the efficiency of CO₂ injection and to attain long-term storage.

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L'objectif de cette thèse est d'analyser l'évolution des propriétés mécaniques et de transport effectives de roches aquifères,qui sont soumises à une dégradation progressive par attaque chimique due à la dissolution par CO2.L'étude proposée porte sur les conditions à long terme et en champ lointain, lorsque la dégradation de la matrice poreuse peut être supposée homogène à l'échelle de l'échantillon.La morphologie du réseau de pores et du squelette solide définissant les propriétés macroscopiques majeures de la roche (perméabilité, élasticité),la modélisation d'un tel matériau poreux doit être basée sur une caractérisation morphologique et statistique des roches étudiées.Tout d'abord, une méthode de reconstruction inspirée du processus naturel de formation des grès est développée afin d'obtenir des représentations statistiquement équivalentes à de véritables échantillons.Les échantillons générés sont sélectionnés afin de satisfaire les informations morphologiques extraites de l'analyse des images microtomographiques d'échantillons de roche naturelle.Une méthodologie afin d'estimer les propriétés mécaniques équivalentes des échantillons générés, fondées directement sur des maillages réguliers considérés comme images binaires, est présentée.Le comportement mécanique équivalent est obtenu dans le cadre de l'homogénéisation périodique.Mais en raison du manque de périodicité géométrique des échantillons considérés, deux approches différentes sont développées :la reconstruction de VER par symétrie de réflexion ou l'addition d'une couche homogène associée à une méthode de point fixe.L’évolution de la perméabilité est estimée de manière classique en utilisant la méthode de mise à l'échelle dans la forme de la loi de Darcy. Enfin, la dissolution chimique du matériau est abordée par dilatation morphologique de la phase poreuse.De plus, une analyse détaillée de l'évolution des descripteurs morphologiques liée aux modifications de la microstructure lors des étapes de dissolution est présentée.La relation entre les propriétés morphologiques - perméabilité - modules d'élasticité est également fournie.La méthodologie développée dans ce travail pourra être facilement appliquée à d'autres classes de matériaux hétérogènes. / The aim of this thesis is to analyse evolution of effective mechanical and transport properties of rock aquifer, which is subjected to progressive chemical degradation due to CO2 dissolution. The proposed study focuses on long-term and far field conditions, when degradation of porous matrix can be assumed to be homogeneous at sample scale. It is very well known that morphology of pore network and solid skeleton defines important macroscopic properties of the rock (permeability, stiffness). Therefore, modelling of such porous material should be based on morphological and statistical characterisation of investigated rocks. First of all, in order to obtain statistically equivalent representations of real specimen a reconstruction method inspired by natural process of sandstone formation is adapted. Then the selected generated samples satisfy morphological informations which are extracted by analysing microtomography of the natural rock sample. Secondly, a methodology to estimate effective mechanical properties of investigated material, based directly on binary images, is featured. Effective mechanical behaviour is obtain within the framework of periodic homogenization, However due to lack of geometrical periodicity two different approaches are used (reflectional symmetry of considered RVE and a fixed point method, using additional layer spread over the considered geometry). Evolution of permeability is estimated in classical way using upscaling method in the form of Darcy's law. Finally, chemical dissolution of material is tackled in a simplified way by performing morphological dilation of porous phase. Detailed analysis of chosen morphological descriptors evolution, triggered by modifications of microstructures is provided. The relation between morphological properties – permeability – elastic moduli is also provided. The methodology developed in this work could be easily applied to other heterogeneous materials.

L'objectif de cette thèse est l'étude des conséquences de la thermo-oxydation sur la structure chimique et le comportement mécanique d'un Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM). Afin de déterminer les modifications à différentes échelles structurales, quatre formulations modèles sont étudiées : la gomme pure, les matrices vulcanisées stabilisée et non stabilisée et l'élastomère industriel. L'ensemble des échantillons est vieilli entre 70 et 170°C dans l'air ou sous vide puis caractérisé par divers outils analytiques. La thermogravimétrie donne accès aux variations de masse résultant de l'incorporation d'oxygène et l'émission de composés volatils. L'analyse infrarouge permet de suivre les évolutions des espèces chimiques. Les essais de gonflement, de chromatographie et de spectrométrie mécanique permettent de calculer les nombres de coupures de chaînes et d'actes de réticulation à chaque instant. Sur la base de ces résultats, un modèle cinétique général de thermo-oxydation de la matrice EPDM est proposé et en partie validé. Les conséquences du vieillissement thermique sur le comportement mécanique de l'élastomère industriel sont mises en évidence par des essais de traction uniaxiale et de multi-relaxation à température ambiante et vitesse de déformation initiale de 10-3 s-1. L'impact du vieillissement thermique sur les propriétés ultimes et les réponses à l'équilibre et hors équilibre est examiné. Un critère prédictif de rupture basé sur la mécanique de la rupture est proposé. Enfin, le couplage vieillissement thermique - contrainte mécanique est étudié par des essais relaxation de contraintes continues entre 130 et 170°C dans l'air. Les modifications de la microstructure pendant le vieillissement thermique sont intégrées dans les équations constitutives du modèle mécanique macroscopique afin de proposer un outil de prédiction du comportement à long terme de l'élastomère industriel. La simulation numérique montre une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. / The aim of this work is to study the consequences of the thermal oxidation on the chemical structure and mechanical behavior of an Ethylene-Propylene-Diene Monomer (EPDM). In order to determine the structural changes at different scales, four model formulations have been considered: free additive gum, stabilized and unstabilized vulcanized matrix and industrial rubber. All samples were aged between 70 and 170°C in air or vacuum and characterized by several analytical tools. Thermogravimetry gives access to weight variations due to oxygen grafting and volatile compounds release. Infrared analysis is used to follow chemical species evolutions. Swelling tests, chromatographic and mechanical spectrometry tests allow calculating the number of chain scission and cross-linking events at any time. Based on these results, a general kinetic model is proposed and partially validated for EPDM matrix thermal oxidation. The consequences of thermal ageing on the mechanical behavior of the industrial rubber are pointed out by monotonic tensile and stress relaxation tests at room temperature and a 10-3 s-1- initial strain rate. The impact of thermal ageing on ultimate properties and equilibrium and non-equilibrium response are examined. Finally, the coupling between thermal ageing and mechanical stress is studied by continuous stress relaxation tests between 130 et 170°C in air. The microstructural modifications during thermal ageing are introduced into the constitutive equations of the macroscopic mechanical model in order to propose a predictif tool of the long time behavior of the industrial rubber. The numerical simulation is in good agreement with experimental results.