Le processus de plugging et d'abandon (P&A) des puits de pétrole et de gaz en fin de vie est essentiel pour atténuer les risques tels que la contamination de l'eau, les ruptures de pression, les émissions de gaz et les fuites d'hydrocarbures. Ce processus implique le retrait de segments de cuvelage, le nettoyage interne et externe du cuvelage pour éviter la contamination du ciment, et la mise en place de bouchons de ciment pour sceller le puits. Dans ce contexte, le nettoyage par jet, qui consiste à déplacer des fluides plus légers avec un liquide plus dense, est une technique clé. Cette technique est influencée par des facteurs tels que l'inertie, la flottabilité, la viscosité, la miscibilité et contrainte d'écoulement. Motivée par cette application industrielle, cette thèse de doctorat explore les effets des principaux paramètres de flux sur les jets miscibles flottants, en utilisant des techniques expérimentales non intrusives telles que l'imagerie haute vitesse, la vélocimétrie par images de particules tomographique résolue dans le temps, la fluorescence induite par laser planaire et la vélocimétrie Doppler à ultrasons. Nos travaux examinent notamment comment la vitesse d'injection du jet, le diamètre de la buse, la différence de densité, le rapport de viscosité et la contrainte d'écoulement affectent la dynamique du jet. Plus précisément, nous analysons des caractéristiques telles que la longueur laminaire, la longueur de pénétration, le rayon du jet, le profil de vitesse, l'énergie dissipée, l'indice de mélange et l'énergie cinétique turbulente pour caractériser le comportement des jets flottants. Les résultats sont présentés en fonction de nombres adimensionnels, y compris les nombres de Reynolds (Re), Froude (F r), Archimède (Ar) et Bingham (BN ), ainsi que le rapport de viscosité (m). Pour les jets Newtoniens verticaux isovisqueux, nous étudions le flux sur une gamme de Re, F r, et Ar pour classifier les régimes de flux, basés sur l'absence ou la présence de longueur laminaire, en jets semi-turbulents et totalement turbulents. Nous quantifions également les transitions entre ces régimes (Re critique) et développons des corrélations prédictives pour les caractéristiques du jet. Nous employons ensuite des techniques d'apprentissage automatique supervisé, y compris les forêts aléatoires, pour améliorer les prédictions des caractéristiques du jet à travers divers Re et Ar, surpassant les méthodes traditionnelles. Nous étudions ensuite les effets de m sur les comportements de flux de jet flottant, identifiant trois régimes de flux distincts (méduse, entonnoir et cône) et quantifiant comment l'augmentation de m influence l'instabilité ou la stabilité selon le régime de flux. En considérant les fluides ambiants à contrainte d'écoulement, pour les jets neutres flottants, nous identifions quatre régimes de flux de jet, y compris les motifs de mélange, de champignon, de doigts et de fracture, par rapport à Re et BN , et démontrons comment l'augmentation du rapport de la contrainte d'écoulement à la contrainte d'inertie du jet (BN /Re) régit la transition entre ces régimes. Enfin, en élargissant le champ de notre travail, nous explorons l'impact de l'épaisseur de la couche de fluide ambiant et de la contrainte d'écoulement sur l'efficacité du nettoyage d'un jet turbulent frappant des fluides Newtoniens et à contrainte d'écoulement, révélant que la contrainte d'écoulement modifie les dynamiques de nettoyage et l'entraînement de l'air. / The plug and abandonment (P&A) of oil and gas wells at their lifecycle end is crucial to mitigate risks, such as water contamination, pressure breakdowns, gas emissions, and hydrocarbon leaks. The P&A process involves removing casing segments, cleaning both interior and exterior of the casing to prevent cement contamination, and placing cement plugs to seal the well. In this context, jet cleaning, which involves displacing lighter fluids with a denser liquid, is a key cleaning technique, and it is influenced by inertia, buoyancy, viscosity, miscibility, and yield stress properties. Motivated by this industrial application, the current Ph.D. thesis investigates the effects of the key flow parameters on miscible buoyant jets, using non-intrusive experimental techniques, including high-speed imaging, time-resolved tomographic particle image velocimetry, planar laser-induced fluorescence, and ultrasound Doppler velocimetry. Our work explores, in particular, how the jet injection velocity, nozzle diameter, density difference, viscosity ratio, and yield stress affect the jet dynamics. Specifically, the jet flow characteristics, such as the laminar length, penetration length, jet radius, velocity profile, dissipated energy, mixing index, and turbulent kinetic energy are analyzed to characterize buoyant jet behavior. The results are accordingly presented versus the dimensionless numbers, including the Reynolds (Re), Froude (F r), Archimedes (Ar), and Bingham (BN ) numbers, as well as the viscosity ratio (m). For iso-viscous Newtonian vertical buoyant jets, we study the flow across a range of Re, F r, and Ar, to classify the flow regimes, based on the absence or presence of the laminar length, into semi-turbulent and fully-turbulent jets. We also quantify the transitions between these regimes (critical Re), and develop predictive correlations for the jet characteristics. We subsequently employ supervised machine learning techniques, including random forests, to enhance the jet characteristic predictions, across various Re and Ar, outperforming traditional methods. We then investigate the effects of m on buoyant jet flow behaviors, identifying three distinct flow regimes (jellyfish, funnel, and cone), and quantifying how increasing m influences instability/stability depending on the flow regime. Considering yield stress ambient fluids, for neutrally buoyant jets, we identify four jet flow regimes, including mixing, mushroom, fingering, and fracturing patterns, versus Re and BN and demonstrate how increasing the ratio of the yield stress to jet inertia stress (BN /Re), governs the transition among these regimes. Finally, expanding the scope of our work, we explore the impact of the ambient fluid layer thickness and yield stress on the cleaning efficacy of a turbulent jet impinging on Newtonian and yield stress fluids, revealing that the yield stress modifies cleaning dynamics and air entrainment.

Des simulations numériques tridimensionnelles ont été réalisées pour évaluer les impacts de la migration de méthane en provenance de puits de production abandonnés dans des aquifères peu profonds. Les modèles conceptuels considérés impliquent la migration et la dissolution de méthane gazeux dans les eaux souterraines, la biodégradation du méthane (CH4) dissous dans des conditions anaérobies et aérobies et la production de sulfure (HS-). Les écoulements multiphases d’eau et de méthane et le transport réactif du méthane en milieu poreux sont simulés par les modèles numériques DuMux et BIONAPL/3D respectivement. Tout d’abord, l’impact de la migration de méthane dans un aquifère confiné peu profond en Alberta est évalué. Par la suite, un cas de contamination hypothétique d’un aquifère libre peu profond basé sur le site de Borden en Ontario est considéré. Dans le premier scénario, les simulations montrent que des taux d’oxydation du méthane compris entre 1×10-5 et 1×10-3 kg/m3/j associés à des débits de gaz de 2 à 20 m3/j appliqués pendant 2 ans à la base de l’aquifère permettent de reconstituer les concentrations en CH4 observées sur le terrain. Dans le cas le plus réactif, les concentrations en CH4 atteignent la limite de 10 mg/L après 5 ans alors qu’une concentration maximale en HS- de 142.5 mg/L est atteinte après 2 ans. Dans le second scénario, l’étendue du panache de méthane est beaucoup plus faible que dans le premier scénario et les taux d’oxydation élevés du méthane en conditions aérobie permettent une consommation rapide du CH4. La production de HS- est également moins importante. Les résultats obtenus suggèrent que l'aquifère libre considéré est moins vulnérable à la migration de méthane que le cas confiné. L’acquisition de connaissances sur les caractéristiques physicochimiques des aquifères est nécessaire pour appréhender les impacts de la migration de gaz dans les eaux souterraines.