Les industries pétrolières et gazières sont tenues de respecter les lois et réglementations en matière de protection de l'environnement en raison de l'inquiétude croissante du public concernant les risques environnementaux ces dernières années. Les puits de pétrole et de gaz doivent être bouchés et abandonnés lorsqu'ils ont atteint la fin de leur cycle de vie utile afin de prévenir les catastrophes environnementales. Il est donc essentiel de réaliser un certain nombre d'interventions pour ces puits, connues sous le nom de bouchage et abandon (P&A). Pour atteindre la partie annulaire du puits, les segments de cuvelage doivent être retirés. Ensuite, les zones défectueuses doivent être nettoyées et des barrières de bouchons de ciment doivent être insérées dans l'annulaire. Avant d'installer le bouchon de ciment, la zone cible doit être nettoyée à l'intérieur et à l'extérieur du cuvelage pour éviter la contamination du ciment et garantir la haute qualité du bouchon de ciment. Le nettoyage par jet, dans lequel un liquide dense est injecté dans la zone cible pour éliminer un fluide indésirable de densité inférieure, est l'une des techniques de nettoyage efficaces utilisées dans les processus de P&A. Habituellement, les liquides sont miscibles. L'efficacité de nettoyage du jet est influencée par un certain nombre de forces et de facteurs, notamment les effets de la contrainte seuil (viscoplasticité), l'inertie, la flottabilité, la viscosité et la miscibilité. Le comportement des jets miscibles flottants est extrêmement complexe et dépend de plusieurs facteurs, notamment les facteurs géométriques, les caractéristiques de l'écoulement et les caractéristiques physiques et rhéologiques des fluides. Compte tenu de l'utilisation de ces jets dans les opérations de P&A, l'objectif de cette recherche est de fournir une compréhension fondamentale des impacts des différents facteurs sur les jets miscibles flottants. En particulier, le processus est analysé expérimentalement, en injectant un fluide newtonien dans un fluide newtonien/non newtonien (représentant le matériau en place à laver/nettoyer), tout en tenant compte des effets d'un certain nombre de paramètres clés de l'écoulement, tels que la vitesse imposée, la différence de densité et les propriétés rhéologiques des fluides (en particulier les effets viscoplastiques). La recherche peut être utilisée pour décrire le comportement du jet, qui peut être représenté par des caractéristiques telles que la longueur de bifurcation ($L_b$), la longueur de transition ($L_t$), la longueur de déviation ($L_d$) et la trajectoire du jet, et pour mesurer les régimes d'écoulement. Dans le but de généraliser les résultats expérimentaux pour une utilisation dans les applications industrielles de P&A, l'impact des nombres sans dimension pertinents tels que le nombre de Reynolds ($R_e$), le nombre de Froude ($F_r$) et le rapport de viscosité ($m$) est étudié. Notre étude a révélé que $L_b$ et $L_d$ sont principalement influencés directement par $F_r$, avec un rôle également joué par $m$. De plus, une augmentation de $m$ a été trouvée pour stabiliser l'écoulement, conduisant à des valeurs de $L_t$ plus importantes. / Oil and gas wells must be plugged and abandoned when they have reached the end of their useful life cycles in order to prevent environmental catastrophes. Therefore, it is essential to carry out a number of remedies for these wells, known as plug and abandonment (P&A). To reach the annulus portion of the well, the casing pieces must be removed. Next, the defective regions must be washed, and cement plug barriers must be inserted into the annulus. Before installing the cement plug, the target area must be cleaned both inside and outside of the casing to prevent cement contamination and to guarantee the cement plug's high quality. Jet cleaning, in which a dense liquid is injected into the target area to remove an undesirable fluid with a lower density, is one of the effcient cleaning techniques used in P&A processes. Usually, the liquids are miscible. The cleansing effectiveness of the jet is influenced by a number of forces and factors, including yield stress (viscoplasticity) effects, inertia, buoyancy, viscous, and miscibility. The behavior of buoyant miscible jets is extremely complicated and depends on a number of factors, including geometrical factors, flow characteristics, and the physical and rheological characteristics of the fluids. Considering the use of these jets in P&A operations, the goal of this research is to provide a fundamental understanding of the impacts of different factors on buoyant miscible jets. In particular, the process is experimentally analyzed, by injecting a Newtonian fluid into a Newtonian/non-Newtonian fluid (representing the in-placed material to be washed/cleaned), while considering the effects a number of the flow key parameters, such as the imposed velocity, the density difference, and the fluid rheological properties (in particular viscoplastic effects). The research can be used to describe the behavior of the jet, which can be represented by characteristics such as bifurcation length ($L_b$), transtion length ($L_t$), deviation length ($L_d$), and the trajectory of the jet, and measure the flow regimes. For the purposes of generalizing the experimental findings for using in industrial P&A applications the impact of pertinent dimensionless numbers such as the Reynolds number ($Re$), the Froude number ($Fr$), and the viscosity ratio ($m$) are investigated. Our study revealed that $L_b$, and $L_d$ are primarily influenced directly by $Fr$, with $m$ also playing a role. Furthermore, an increase in $m$ was found to stabilize the flow, leading to larger $L_t$ values.

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.