Dans le cadre du stockage géologique de gaz acides, il est impératif de garantir l'intégrité des matériaux sollicités afin d'assurer un confinement pérenne du fluide injecté. Le but de ce travail de thèse est d'étudier, par le biais de modélisations expérimentales, les phénomènes pouvant être responsables de la déstabilisation du système et qui peuvent conduire à des fuites du gaz stocké. Le premier modèle expérimental, appelé COTAGES a permis d'étudier les effets de la déstabilisation thermique provoquée par l'injection d'un gaz à température ambiante dans un réservoir chaud. Ce dispositif a permis de mettre en évidence un transfert de matière important depuis la zone froide (30°C) vers la zone chaude (100°C) conduisant à des modifications des propriétés pétrophysiques. Ces résultats soulignent l'importance de la température d'injection sur la conservation des propriétés d'injectivité du système. Le second modèle, appelé "Sandwich" a permis d'étudier le comportement de l?interface entre la roche couverture (argilite COX) et le ciment de puits. Les expériences batch du modèle Sandwich en présence de CO2 ont permis de mettre en évidence une fracturation de l'interface provoquée par la carbonatation précoce du ciment. Ces résultats soulignent l'importance de l'état initial de la roche couverture dans la séquestration du fluide injecté. Le troisième modèle expérimental est le modèle MIRAGES. Ce dispositif innovant permet d'injecter en continu un flux de CO2 dans un échantillon. Les résultats ont mis en évidence un colmatage partiel de la porosité inter-oolithe à proximité du puits d'injection, ainsi qu'une carbonatation du ciment sous la forme d'un assemblage calcite/aragonite / In the framework of the CO2 storage, it is crucial to ensure the integrity of the solicited materials in order to guarantee the permanent confinement of the sequestrated fluids. Using experimental simulation the purpose of this work is to study the mechanisms which could be responsible for the system destabilization and could lead CO2 leakage from the injection well. The first experimental model, called COTAGES allows studying the effects of the thermal destabilisation caused by the injection of a fluid at 25°C in a hotter reservoir (submitted to the geothermal gradient). This device allows demonstrating an important matter transfer from the cold area (30°C) toward the hot area (100°C). These results highlight the importance of the injection temperature on the injectivity properties and on the possible petrophysical evolutions of the near well. The second model, called ?Sandwich?, allow studying the behaviour of the interface between caprock (COX argillite) and well cement. Indeed, interfaces between the different rock and the well materials represent a weakness area (differential reactivity, fracturing?). Batch experiments carried out with this device in presence of CO2 show the fracturing of the interface caused by the early carbonation of the cement. The third experimental model, called MIRAGES is an innovative device which allows injecting continuously CO2 in a core sample. Samples made of Lavoux limestone and well cement reproduce the injection well at 1/20 scale. Results show a partial filling of the inter-oolithic porosity close to the injection well, and also the carbonation of the cement according to an assemblage of calcite/aragonite

Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs dits de moyenne activité à vie longue et de haute activité, la France a fait le choix du stockage géologique profond dans une formation rocheuse située à l’est du bassin parisien, dans une zone tectoniquement stable. Cette formation d’argilites du Callovo-Oxfordien a été choisie pour ses propriétés de rétention des radionucléides puisqu’elle est très peu perméable. Un laboratoire de recherche souterrain a été construit à environ 500 mètres de profondeur afin d’étudier in-situ les propriétés de la roche. Il a été montré que l’argilite du Callovo-Oxfordien présente une anisotropie liée à sa formation géologique. L’objectif principal de cette thèse est de pouvoir reproduire le comportement mécanique anisotrope à l’aide d’un modèle de comportement élasto-plastique. Le modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique et isotrope nommé LKR est la résultante de tout le savoir-faire et l’expertise d’EDF en ce qui concerne le dimensionnement d’ouvrages souterrains. On cherche donc à appliquer une méthode de prise en compte de l’anisotropie structurelle caractérisant plusieurs types de géomatériaux dont l’argilite du Callovo-Oxfordien à ce modèle de comportement. Afin d’atteindre cet objectif, deux méthodes de prise en compte de l’anisotropie développées dans la littérature scientifique sont appliquées à un modèle de Drucker-Prager à écrouissage linéaire négatif et sont comparées. La première méthode consiste à introduire un tenseur de microstructure ou de fabrique permettant de définir les orientations préférentielles du matériau. La seconde méthode est l’approche par plan de faiblesse qui consiste à décrire le comportement anisotrope du matériau via deux mécanismes distincts, l’un décrivant le comportement de la matrice rocheuse isotrope et l’autre décrivant les plans de faiblesse. C’est par ce deuxième mécanisme que l’anisotropie est introduite. Ces deux applications ont été faites dans le logiciel libre de simulation en mécanique, Code Aster, développé par EDF et ont permis d’appréhender les difficultés numériques de chacune de ces méthodes, et de choisir l’approche la plus pertinente pour l’extension du modèle LKR. Ainsi, c’est la méthode avec le tenseur de fabrique qui est, dans notre cas, la plus adaptée. Elle a donc été appliquée au modèle LKR. Cette nouvelle extension au modèle permet de prendre en compte la dépendance à l’orientation du matériau des résistances en compression. Dans ces travaux, on se place dans le cadre de la mécanique des milieux continus. L’anisotropie est introduite seulement dans le mécanisme élasto-plastique du modèle de comportement LKR. / Within the framework of radioactive waste management, for long-lived and high-level radioactive waste, France has chosen deep geological storage. This storage will be located in a rock formation, in the east of the basin Parisian, in a tectonically stable area. This Callovo-Oxfordian claystone formation was chosen for its radionuclides retention properties since it is not very permeable. An underground research laboratory was built 500 meters deep to study the properties of the rock in-situ. The Callovo-Oxfordian claystone has been shown to exhibit anisotropy related to its geological formation. The main objective of this PhD thesis is to reproduce anisotropic mechanical behaviour using an elasto-plastic constitutive model. The thermo-elasto-viscoplastic and isotropic behaviour model named LKR is the result of all EDF’s knowledge and expertise in the design of underground structures. Therefore, we seek to apply a method of taking into account structural or inherent anisotropy characterizing several types of geomaterials including Callovo-Oxfordian claystone to this LKR constitutive model. In order to achieve this objective, two methods of taking anisotropy into account and developed in the scientific literature are applied to a Drucker-Prager model with linear softening and then are compared to each other. The first method consists of introducing a microstructure or fabric tensor to define the preferential orientations of the material. The second method is the weakness plane approach which consists of describing the anisotropic behaviour of the material through two distinct mechanisms, one describing the behaviour of the isotropic rock matrix and the other describing the weakness planes. It is through this second mechanism that anisotropy is introduced. These two applications were made using the free mechanical simulation software, Code Aster, developed by EDF. This allowed to understand the numerical difficulties of each of these methods, and to choose the most relevant approach for the extension of the LKR model. Thus, it is the method with the fabric tensor which is, in our case, the most suitable. It was therefore applied to the LKR model. This new extension to the model enables the material orientation dependency of the compression strengths to be taken into account. In this work, the mechanics of continuous media are considered. Anisotropy is introduced only into the elasto-plastic mechanism of the LKR behaviour model.

Submitted by PPG Engenharia e Tecnologia de Materiais (engenharia.pg.materiais@pucrs.br) on 2018-05-03T11:34:42Z No. of bitstreams: 1 disserta??o Roger vers?o biblioteca.pdf: 9741593 bytes, checksum: 510807346e33704b6f1650648b1f1b19 (MD5) / Approved for entry into archive by Sheila Dias (sheila.dias@pucrs.br) on 2018-05-14T11:17:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 disserta??o Roger vers?o biblioteca.pdf: 9741593 bytes, checksum: 510807346e33704b6f1650648b1f1b19 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-14T11:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 disserta??o Roger vers?o biblioteca.pdf: 9741593 bytes, checksum: 510807346e33704b6f1650648b1f1b19 (MD5) Previous issue date: 2018-01-15 / Developing technologies for the capture and geological storage of CO2 has been a constant challenge of the scientific community in the search for solutions that can reduce the environmental impacts caused by the release of this gas into the atmosphere. However, its storage in depleted oil wells has been shown to be a very important point, since the materials applied in wells can suffer degradation in the presence of CO2 in the supercritical state and at high pressures. The objective of this work is to evaluate the performance of the class G cement paste used in cementation of wellbore under conditions of geological carbon storage with replacement of part of the cement by pozoanic materials such as fly ash from the fossil fuel burning of the Candiota Thermoelectric Plant, and synthetic zeolites (4A-1 e 4A-2). The contents of the pozalanas used in substitution of the cement were 5% and 10% in weight. The medium in which samples were submitted for degradation tests was CO2 saturated water at 15 MPa pressure and 90 ?C for 7 and 14 days. Scanning Electron Microscopy (SEM), XRay Diffraction (XRD) and compressive strength tests were the characterization techniques used in this work. The results showed that the use of fly ash increased the compressive strength of the samples after 14 days, mainly for higher percentage of cement replacement by this material (10%), but its chemical degraded layer increased. In case of zeolites 4A-1 use, a lower compressive strength was observed compared to the standard paste, but the degraded layer was reduced. When zeolites 4A-2 were used significant loss of compressive strength was observed from 7 to 14 days, mainly for the proportion of the mixture of 10% and its degraded layer also reduced. / Desenvolver tecnologias para a captura e armazenamento geol?gico de CO2 tem sido um desafio constante da comunidade cient?fica na busca de solu??es que possam reduzir os impactos ambientais provocados pela libera??o desde g?s na atmosfera. Por?m, seu armazenamento em po?os depletados de petr?leo tem se mostrado o ponto mais desafiador, pois os materiais aplicados nestes po?os podem sofrer degrada??o na presen?a de CO2 em estado supercr?tico e em altas press?es. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho da pasta de cimento classe G, utilizada na cimenta??o e tamponamento dos po?os, em condi??es de armazenamento geol?gico de carbono com substitui??o de parte do cimento por materiais pozol?nicos. O material utilizado foi as cinzas volantes, oriundas da queima de carv?o mineral da Usina Termoel?trica de Candiota, e ze?litas 4A comerciais sint?ticas (4A-1 e 4A-2). Os teores utilizados das pozalanas em substitui??o ao cimento foram 5% e 10% em massa. O meio em que foram submetidas as amostras foi de ?gua saturada com CO2 a 15 MPa de press?o a 90? C por 7 e 14 dias. A Microscopia Eletr?nica de Varredura (MEV), a Difra??o de Raios X (DRX) e o teste de resist?ncia ? compress?o foram as t?cnicas de caracteriza??o utilizadas neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que o uso de cinzas volantes aumentou aos 14 dias a resist?ncia ? compress?o das amostras, principalmente para maior a porcentagem de substitui??o do cimento por este material (10%), por?m a camada alterada quimicamente aumentou. Quando utilizadas as ze?litas 4A-1, notou-se uma menor resist?ncia ? compress?o que a pasta padr?o, mas a camada degradada reduziu. No caso das ze?litas 4A-2, foi constatada a perda significativa de resist?ncia ? compress?o dos 7 para 14 dias, principalmente para a amostra contendo 10% dessa zeolita, sendo que a camada alterada quimicamente tamb?m reduziu.

Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation. / Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la migration par gravité et capillarité du CO₂ supercritique injecté dans un site de séquestration géologique hétérogène. Les simulations sont réalisées à l'aide du code DuMux. Particulièrement, on s'intéresse à la mise à l'échelle, de l'échelle de la cellule à l'échelle du réservoir, d'un modèle d'écoulement diphasique CO₂ -saumure, au sein d'un milieu stratifié périodique constitué d'un réseau de barrières peu perméables horizontales, continues ou discontinues. La mise à l'échelle est effectuée par la méthode asymptotique à double échelle. Dans un premier temps, on considère le cas d'une colonne verticale parfaitement stratifiée. Un modèle homogénéisé est développé puis validé par simulation numérique pour différentes valeurs du nombre capillaire et du flux incident de CO₂ . La méthode d'homogénéisation est appliquée au cas d'un écoulement dans un milieu bidimensionnel constitué de strates discontinues. Par l'effet de gravité, le CO₂ s'accumule sous les strates peu perméables, ce qui conduit à un problème mathématique local non standard. Cette stratification est modélisée à l'aide de l'approche des courants de gravité. L'approche est étendue au cas des strates semi-perméables et en prenant en compte la capillarité. Le modèle mis à l'échelle est comparé à des simulations numériques effectuées pour différents types de strates, avec ou sans pression capillaire, et sa limite de validité est discutée pour chacun de ces cas. La dernière partie de la thèse est dédiée à l'étude des performances du code DuMux pour simuler par calcul parallèle l'injection et la migration de CO₂ dans des milieux hétérogènes tridimensionnels (milieu périodique stratifié, milieu fluviatile et milieu réservoir SPE10). / This work deals with the mathematical modeling and the numerical simulation of the migration under gravity and capillarity effects of the supercritical CO₂ injected into a geological heterogeneous sequestration site. The simulations are performed with the code DuMux. Particularly, we consider the upscaling, from the cell scale to the reservoir scale, of a two-phase (CO₂ -brine) flow model within a periodic stratified medium made up of horizontal low permeability barriers, continuous or discontinuous. The upscaling is done by the two-scale asymptotic method. First, we consider perfectly layered media. An homogenized model is developed and validated by numerical simulation for different values of capillary number and the incident flux of CO₂ . The homogenization method is then applied to the case of a two-dimensional medium made up of discontinuous layers. Due to the gravity effect, the CO₂ accumulates under the low permeability layers, which leads to a non-standard local mathematical problem. This stratification is modeled using the gravity current approach. This approach is then extended to the case of semi-permeable stratas taking into account the capillarity. The upscaled model is compared with numerical simulations for different types of layers, with or without capillary pressure, and its limit of validity is discussed in each of these cases. The final part of this thesis is devoted to the study of the parallel computing performances of the code DuMux to simulate the injection and migration of CO₂ in three-dimensional heterogeneous media (layered periodic media, fluvial media and reservoir model SPE 10).

Résumé : Ces travaux de thèse s'intéressent à l'étude du comportement d'une discontinuité dans un géomatériau sous sollicitations chemo-mécaniques à l'échelle du laboratoire. Des essais de traction-compression cyclique étudient la refermeture d'une fissure. Ils indiquent que les déformations inélastiques seraient gouvernées en partie par les frottements générés lors du ré-emboîtement des lèvres de la discontinuité, non correspondantes du fait des contraintes internes. Des joints rocheux altérés chimiquement sous sollicitation tangentielle sont étudiés au travers d'essais de cisaillement direct : le comportement des joints dégradés est profondément modifié du fait de la diminution des propriétés mécaniques du matériau de part et d'autre de la discontinuité et de l'accentuation de la non-correspondance des profils rugueux. Le comportement d'une discontinuité est modélisée par le couplage d'un modèle élasto-plastique endommageable continu avec une résolution discrète du problème de contact/frottement (code calcul aux éléments finis Cast3M). Les résultats numériques confirment les phénomènes constatés expérimentalement.//Abstract: To probate the technology of CO[indice inférieur 2] geological storage, the integrity of the site must be assure over time. This industruial problematic involves the study of the mechanical properties alteration of geomaterials in the presence of CO[indice inférieur 2]. The scenario at the origin of this thesis illustrates the possibility of a CO[indice inférieur 2] leakage on a fault located in the caprock. This geological problem is complicated by the many parameters to consider: in situ temperature and pressure, scale effect, heterogeneities of the geomaterial, geofluide composition, chemical reactions ... These works focus on the behavior of a discontinuity in a geomaterial solicited chemomechanically at the laboratory scale. They were realised in cotutelle between SIAME laboratory at the University of Pau and Pays de l'Adour (France) and the laboratory of rock mechanics and engineering geology from the University of Sherbrooke (Quebec, Canada). The first part of the experimental program was defined to characterize the reclosing of a crack under cyclic uniaxial stress. The second experimental campaign has studied the shear behavior of a rock joint chemically degraded. The data obtained were used to model the behavior of a discontinuity by the finite element method. The mechanical behavior of a crack under normal stress is assessed with cyclic tension-compression tests. Stress curve showed hysteresis during opening and closing cycles of a discontinuity in concrete, it indicated inelastic deformations The analysis of displacement field by image correlation indicated that theses deformations were partially governed by the friction generated during the closing of the discontinuity lips. Frictional phenomena are due to asperities mismatching induced by the internal stresses in the concrete. The shear behavior of a rock joint chemically damaged was studied through direct shear tests. Rough surfaces were immersed in acid solution during 6 hours at constant pH. Digitalization of these surfaces befor and after immesion, with a lase profilometer, indicates little modifications of the geometry induced by dissolution of material. Results of tests pointed out significant modifications for altered joints illustred by a of the peak shear strength and an increased of contractancy. They are induced by: 1) the mismatch enhancement of the rough profiles of the discontinuity and, 2) the degradation of the mechanical properties of the material on both sides of the discontinuity due to the chemical attack. Numerical contribution of the thesis lies in modeling the behavior of a discontinuity by the coupling of an continuous elastic-plastic damaged model with a discrete resolution of the contact/friction problem. The model is developed with the finite element code Cast3M. Geometries lips discontinuities are modeled directly from the roughness profiles from experimental scans. The numerical results correctly represent the friction phenomena observed experimentally. Finally, a model of the shear test altered joints is performed by coupling the mechanical model with chemical damage model.

Ces travaux de thèse s'intéressent à l'étude du comportement d'une discontinuité dans un géomatériau sous sollicitations chemo-mécaniques à l'échelle du laboratoire. Des essais de traction-compression cyclique étudient la refermeture d'une fissure. Ils indiquent que les déformations inélastiques seraient gouvernées en partie par les frottements générés lors du ré-emboîtement des lèvres de la discontinuité, non correspondantes du fait des contraintes internes. Des joints rocheux altérés chimiquement sous sollicitation tangentielle sont étudiés au travers d'essais de cisaillement direct : le comportement des joints dégradés est profondément modifié du fait de la diminution des propriétés mécaniques du matériau de part et d'autre de la discontinuité et de l'accentuation de la non-correspondance des profils rugueux. Le comportement d'une discontinuité est modélisée par le couplage d'un modèle élasto-plastique endommageable continu avec une résolution discrète du problème de contact/frottement (code calcul aux éléments finis Cast3M). Les résultats numériques confirment les phénomènes constatés expérimentalement. / This PhD dissertation presents a study aiming at a better understanding of cracks behavior in a geomaterial. The study focuses on the behavior of discontinuities under chemo-mechanical solicitations at the laboratory scale. The mechanical behavior under normal stress is assessed with cyclic tension-compression tests. Experimental data indicate that the inelastic deformations could be partially governed by the friction generated during the closing of the discontinuity lips, and the asperities mismatch is related to the internal stresses. The shear behavior of a rock joint chemically degraded was studied through direct shear tests. Results pointed out significant modifications for altered joints induced by: 1) the mismatch enhancement of the rough profiles of the discontinuity and, 2) the degradation of the mechanical properties of the material on both sides of the discontinuity due to the chemical attack. These experimental results have been used as input data to model the behavior of a discontinuity by the coupling of a continuous elastic-plastic damaged model with a discrete solving of the contact/friction problem. The simulations performed under Cast3M correctly represent the phenomena observed during the experimental testing program.

R??sum?? : Ces travaux de th??se s'int??ressent ?? l'??tude du comportement d'une discontinuit?? dans un g??omat??riau sous sollicitations chemo-m??caniques ?? l'??chelle du laboratoire. Des essais de traction-compression cyclique ??tudient la refermeture d'une fissure. Ils indiquent que les d??formations in??lastiques seraient gouvern??es en partie par les frottements g??n??r??s lors du r??-embo??tement des l??vres de la discontinuit??, non correspondantes du fait des contraintes internes. Des joints rocheux alt??r??s chimiquement sous sollicitation tangentielle sont ??tudi??s au travers d'essais de cisaillement direct : le comportement des joints d??grad??s est profond??ment modifi?? du fait de la diminution des propri??t??s m??caniques du mat??riau de part et d'autre de la discontinuit?? et de l'accentuation de la non-correspondance des profils rugueux. Le comportement d'une discontinuit?? est mod??lis??e par le couplage d'un mod??le ??lasto-plastique endommageable continu avec une r??solution discr??te du probl??me de contact/frottement (code calcul aux ??l??ments finis Cast3M). Les r??sultats num??riques confirment les ph??nom??nes constat??s exp??rimentalement.//Abstract: To probate the technology of CO[indice inf??rieur 2] geological storage, the integrity of the site must be assure over time. This industruial problematic involves the study of the mechanical properties alteration of geomaterials in the presence of CO[indice inf??rieur 2]. The scenario at the origin of this thesis illustrates the possibility of a CO[indice inf??rieur 2] leakage on a fault located in the caprock. This geological problem is complicated by the many parameters to consider: in situ temperature and pressure, scale effect, heterogeneities of the geomaterial, geofluide composition, chemical reactions ... These works focus on the behavior of a discontinuity in a geomaterial solicited chemomechanically at the laboratory scale. They were realised in cotutelle between SIAME laboratory at the University of Pau and Pays de l'Adour (France) and the laboratory of rock mechanics and engineering geology from the University of Sherbrooke (Quebec, Canada). The first part of the experimental program was defined to characterize the reclosing of a crack under cyclic uniaxial stress. The second experimental campaign has studied the shear behavior of a rock joint chemically degraded. The data obtained were used to model the behavior of a discontinuity by the finite element method. The mechanical behavior of a crack under normal stress is assessed with cyclic tension-compression tests. Stress curve showed hysteresis during opening and closing cycles of a discontinuity in concrete, it indicated inelastic deformations The analysis of displacement field by image correlation indicated that theses deformations were partially governed by the friction generated during the closing of the discontinuity lips. Frictional phenomena are due to asperities mismatching induced by the internal stresses in the concrete. The shear behavior of a rock joint chemically damaged was studied through direct shear tests. Rough surfaces were immersed in acid solution during 6 hours at constant pH. Digitalization of these surfaces befor and after immesion, with a lase profilometer, indicates little modifications of the geometry induced by dissolution of material. Results of tests pointed out significant modifications for altered joints illustred by a of the peak shear strength and an increased of contractancy. They are induced by: 1) the mismatch enhancement of the rough profiles of the discontinuity and, 2) the degradation of the mechanical properties of the material on both sides of the discontinuity due to the chemical attack. Numerical contribution of the thesis lies in modeling the behavior of a discontinuity by the coupling of an continuous elastic-plastic damaged model with a discrete resolution of the contact/friction problem. The model is developed with the finite element code Cast3M. Geometries lips discontinuities are modeled directly from the roughness profiles from experimental scans. The numerical results correctly represent the friction phenomena observed experimentally. Finally, a model of the shear test altered joints is performed by coupling the mechanical model with chemical damage model.

The Paris Agreement aims to limit global warming to 1.5 degrees Celsius, and Sweden has set a goal toreach net-zero emissions by 2045. Carbon Capture and Storage (CCS) is one method that can reducecarbon dioxide emissions. The industry and transportation sectors are the biggest sources of emissionsin Sweden, requiring technological developments and increased investment to reduce their carbondioxide (CO2) emissions. The Geological Survey of Sweden (SGU) is responsible for controls,supervision, operation, and construction of activities connected with carbon dioxide (CO2) storage. SGUbelieves that the storage conditions in Sweden are poor. Sedimentary, basaltic and ultramafic rock ispreferable for CO2 storage, but finding the right sort of bedrock at the right depth and with the rightvolumes and porosity is the challenge. Hence it is in question to collaborate with nations in the northern sea, in order to transport and storageCO2 which would lessen the burden of needing to build new infrastructure. There are a few upcomingCarbon Capture and Utilisation (CCU) projects in Sweden but from the industry’s point of view, thepriority seems to be mostly on Bio-CCS. However, there is still interest for CCS technology in industrialproduction such as steel or cement and also Direct Air Capture (DAC) in the near future. Due to thehigh cost of CCS, funding through the Swedish Energy Agency and EU is vital in order to make iteconomically viable. Other Cost reducing solutions such as relocation on old oil and gas fields orarranging CCS hubs are possible. In summary, this study concludes that CCS is not currently a feasible technique in order to reduce CO2 from the atmosphere, given the current state and costs for it. If the technology becomes more energyefficient and when financial means are in place, the future is bright for CCS. It is extremely relevantthat this technology continues to develop into a better, cheaper and faster way to capture CO2 and reduceemissions of the effective greenhouse gases. / Parisavtalet syftar till att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 grader Celsius och Sverige harockså satt som mål att nå nettonollutsläpp till år 2045. Ett sätt att nå dessa mål kan vara med teknikenför Carbon Capture and Storage (CCS) som är en metod för att minska koldioxidhalten i atmosfären.Den här rapporten syftar till att undersöka med hjälp av litteraturstudier och intervjuer hur genomförbarCCS är som teknik för att minska koldioxidutsläppen samt hur man även kan minska på den befintligamängden koldioxid som redan finns i luften. Huvudfokuset är att undersöka hur CCS fungerar och vilkakostnader som är involverade. Eftersom koldioxid (CO2) är en av de växthusgaser som bidrar mest tillden globala uppvärmningen är det viktigt att vidta åtgärder för att minska den. Det är inte bara utsläppenav CO2 som måste minska utan även mängden CO2 som redan finns i atmosfären. Forskning kring CCSär därför viktig för att hitta nya sätt att effektivisera metoden och göra den mer genomförbar. Naturvårdsverket ger ut en årlig rapport som utvärderar landets framsteg mot att nå sina miljömål,inklusive “Begränsad klimatpåverkan”. Rapporten konstaterar att även om EU och Sverige har minskatutsläppen ökar de fortfarande globalt sett. Industri- och transportsektorn identifieras som de störstautsläppskällorna i Sverige. Den svenska förordningen om CCS regleras av miljöbalken som testar kollagringi geologiska formationer som en miljöfarlig verksamhet och den separerade CO2 ses som avfall.Sverige har ännu inte någon kommersiell CCS-anläggning men regeringen har föreslagit att svenskaindustrier bör införa CCS för att minska dessa utsläpp. Både Sverige och EU har investerat i att utvecklateknik för att minska användningen av fossila bränslen och underlätta för användningen av CCS. CCS processen består av tre huvudsteg: avskiljning och separering av CO2, transport samt lagring elleråteranvändning. Alla typer av nuvarande CCS-metoder kräver en stor mängd energi och de flesta avdem separerar CO2 från industriella förbränningar. Direct Air Capture (DAC) är en annaninfångningsteknik som är mer flexibel när det gäller placering, men också dyrare än de andra teknikerna.Transporten av den infångade CO2 kan ske med lastbil, tåg, fartyg eller rör. De mest genomförbaraalternativen är dock rörledningar och via fartyg på grund av deras transportkapacitet. Rörledningarkräver en välutvecklad infrastruktur, vilket gör dem kostsamma, men de är det mest genomförbaraalternativet för att separera CO2 från landbaserade anläggningar och transportera dem till närliggandelagringsplatser. Geologisk lagring av CO2 kan göras både på land och till havs. Injektion till dengeologiska formationen vid lagringsplatser sker via borrhål. CO2 förvätskas och ersätter denursprungliga vätskan i bergmaterialets porer i berggrunden och reagerar så småningom med berget ochbildar nya mineraler i berggrunden. Sveriges Geologiska Undersökning (SGU) ansvarar för kontroller, tillsyn, drift och uppförande avverksamheter kopplade till CO2-lagring. Geologin i Sverige lämpar sig dock generellt sett inte förlagring av CO2, förutom för vissa sydliga områden. Nordsjön har en del gynnsamma förutsättningar förCO2-lagring och det finns även potentiella geologiska formationer i södra Östersjön. Sedimentära,basaltiska eller ultramafiska bergarter är att föredra för geologisk CO2-lagring. Den största utmaningenär att hitta rätt sorts berggrund på rätt djup och med rätt volym och porositet. Den största svårigheten med CCS är den höga kostnaden, vilket bidrar till att hämma den utbreddaanvändningen. Kostnaden för CCS inkluderar olika faktorer som infångningsmetod, transportmedel,lagringsplats och övervakning över lagringen. Bland dessa är infångningen den dyraste fasen avtekniken, följt av lagring, transport och övervakning. Kostnaderna för varje fas har analyserats över2olika intervaller med hänsyn till lägre, medelstora och högre kostnader men även beroende på regiondå kostnaden kan variera beroende på ländernas förutsättningar. Infångningsfasen av CCS har betydande kostnadsvariationer beroende på vilken metod som används,renheten hos den infångade CO2 samt den energi som krävs för avskiljningsprocesserna.Högkoncentrerade CO2-strömmar har lägre bearbetningskostnader än lågkoncentrerade. DAC är förnärvarande den dyraste infångningsmetoden. Transportkostnader för CO2 inkluderar kostnaderrelaterade till infrastruktur, drift, underhåll, konstruktion och markanvändning. Kostnaden för transportmed rör beror på faktorer som diameter, avstånd och flödeshastighet. Högre flödeshastigheter genomrörledningar kan minska transportkostnaderna. Lagringskostnader för CO2 omfattar utgifter förborrning, infrastruktur, projektledning, licensiering och platsval. Geologisk lagring på land är förnärvarande mer kostnadseffektivt på grund av de utmaningar och högre kostnader som är förknippademed geologisk lagring till havs. Övervakningskostnader är till exempel screening och utvärdering avlagringsplatser samt uppgifter som datainsamling, platsrankning, brunnsinstallation och seismiskautvärderingar. Att minska energitillgången för infångning, förbättra val av lösningsmedel vid separationsfasen,återanvända och utveckla befintlig infrastruktur är exempel som kan hjälpa till att sänka kostnadernaför CCS-processen och främja en bredare användning. Ett annat förslag för att öka den ekonomiskalönsamheten är genom att implementera CCS nav eller kluster. Dessa CCS nav eller kluster ger företagmöjligheten att samordna infrastrukturen för sina CCS-anläggningar. Detta kan lindra den ekonomiskabördan att bygga upp egen kostsam infrastruktur. Nedlagda olje- och gasfält kan återbrukas för CCS- anläggningar då efterfrågan av fossila bränslenminskar. Istället för att riva ner verksamheterna för fossilt bränsle, exploatera ny mark och borra nyahål kan olje- och gasfälten i exempelvis norra haven återbrukas för CCS- anläggningar. Danmark är ettav de första länderna som har tagit initiativet att omvandla oljeanläggningar till koldioxidlagringanläggningar. Det är möjligt att söka om ekonomiskt stöd från Energimyndigheten eller EU för att få stöd till främstBio-CCS projekt men även andra. Detta är i syfte för att underlätta en fri marknad för tekniker somimplementerar koldioxidinfångst. Ambitionen med detta stödsystem är för att realisera en infångst av10 miljoner CO2 via Bio-CCS och minst 2 miljoner CO2/år för andra CCS tekniker. Genom omvändauktion får det företag som kan erbjuda infångad CO2/ton med Bio-CCS teknik för lägst pris, ta del avstödsystemet. EU har även initiativ att finansiera CCS-projekt genom CETPartnership eller EU:sinnovationsfond vars syfte är att stödja forskning och innovation inom CCS. Sammanfattningsvis kom denna studie fram till att CCS inte är genomförbart idag som en teknik för attminska CO2 från atmosfären med hänsyn till nuläget och kostnaderna för att implementera. Om teknikenenergi effektiviseras och när ekonomiska medel finns på plats är framtiden ljus för CCS. Det är oerhörtrelevant att denna teknik fortsätter att utvecklas till ett bättre, billigare och snabbare sätt att fånga uppCO2 och minska utsläppen av de effektiva växthusgaserna. Regeringen och industrin måste därförsamarbeta bättre för att underlätta regelverk som främjar och möjliggör samarbete inom CCS-branschendå många myndigheter lyfter fram att CCS är en nödvändig teknik för framtiden för att uppnå klimatneutralitet.