Pour augmenter le taux de récupération du pétrole, une des solutions chimiques utilisées consiste à injecter des mousses dans les milieux poreux. En effet, les mousses permettent sous certaines conditions de diminuer la mobilité et ainsi d’améliorer le balayage du réservoir. Cependant, les mécanismes contrôlant la mobilité des mousses ne sont pas bien compris. Nous proposons une approche microfluidique permettant une observation directe de l’écoulement des bulles dans un micromodèle de milieux poreux. Nous observons que l’écoulement n’est pas homogène dans le milieu poreux: il se fait uniquement dans quelques chemins. Le nombre de chemins préférentiels dépend de la qualité de la mousse et du nombre capillaire. Si nous simplifions le milieu poreux à une boucle, nous montrons que la formation des chemins préférentiels dépend de la taille de la boucle. En effet, les bulles sont bloquées dans la boucle uniquement quand la taille de la boucle est de l’ordre de grandeur de la taille des bulles. / Crude oil is already usually trapped into heterogeneous porous media. In order to increase the recovery efficiency, one of the chemical solutions consists in injecting foams in porous media to expel oil from the rock. Foam is indeed able in some cases to greatly decrease the mobility, leading to a better sweeping of the reservoir. However, the mechanisms controlling the foam mobility are not well known. We propose a microfluidic approach allowing a direct observation of the flow of bubbles in a model of porous media. We observe that the flow is not homogeneous in the porous medium: it is concentrated in some paths. The number of these preferential paths depends of the foam quality and the capillary number. If we simplify the geometry of the porous medium to a loop, we prove that the formation of preferential paths depends of the size of the loop. Indeed we can only immobilize the bubbles if the size of the loop is around the size of the bubbles.

La pollution d’aquifères par des hydrocarbures est très persistante et difficile à traiter, devenant un enjeu majeur pour l’environnement en raison de l’effet négatif sur la santé humaine. La génération de mousse in situ combinée au lavage de sols est une technique de dépollution innovante, permettant un meilleur contrôle de la mobilité des fluides dans des formations hétérogènes. Le but de cette méthode est de bloquer l’écoulement dans les couches à forte perméabilité pour améliorer l’efficacité de balayage des strates peu perméables.Le mémoire se divise en deux parties principales décrivant une étude expérimentale et une étude numérique.Une sélection préalable de tensioactifs respectueux de l’environnement à été réalisée sur la base de leur moussabilité. Le sucrose laurate (émulsifiant alimentaire) a été retenu et comparé avec un tensioactif dit classique. Des tests sur colonnes 1-D ont permis d’étudier l’influence de la perméabilité, du type de tensioactif et de la qualité de la mousse sur le facteur de résistance à la mobilité du gaz. Les résultats, interprétés à l’aide de la pression capillaire, révèlent deux régimes d’écoulement, correspondants aux deux textures de mousse : « weak » et « strong ». Des expériences sur pilotes 2-D hétérogènes ont permis de visualiser les différentes phases du processus de remédiation et de comparer l’efficacité de balayage avec et sans une région bloquée par de la mousse.La partie modélisation comprend une simulation numérique des tests sur colonne 1-D en utilisant le code UTCHEM et une étude de sensibilité des paramètres les plus importants du modèle, ainsi qu’une modélisation des tests de traçage sur pilote 2-D avec le code MODFLOW. / Aquifer pollution with hydrocarbons is very persistent and difficult to treat, becoming a major issue for the environment because of the negative effect on human health. In situ foam generation combined with soil washing is an innovative remediation technology that allows a better fluid mobility control in heterogeneous formations. The purpose of this method is to block the flow through the high permeability layers in order to improve the sweep efficiency of low permeability strata.The thesis is divided into two main parts describing an experimental study and a numerical study.A preliminary selection of environmentally-friendly surfactants was carried out on the basis of their foamability. Sucrose laurate (emulsifier from food industry) was selected and compared with a conventional surfactant. 1-D column tests were performed to study the influence of permeability, surfactant type and foam quality on the resistance factor. The results, interpreted using the capillary pressure, show two flow regimes, corresponding to the two foam textures: "weak" and "strong". Experiments on 2-D heterogeneous pilot allowed visualizing the different steps of the remediation process and comparing the sweep efficiency with and without a region blocked by foam.The numerical part includes modeling 1-D column tests using UTCHEM, a sensitivity study of the most important parameters of the model, and a simulation of tracer tests on 2-D pilot using MODFLOW.

La production de méthane à partir des champs hydratifères des fonds océaniques est un procédé promis à se développer et à atteindre l'échelle industrielle au cours des dix prochaines années. Cependant, les premiers essais d'extraction de méthane se sont révélés infructueux et difficiles à mener. Le phénomène de dissociation des hydrates de méthane au sein d'une matrice poreuse reste mal connu et maîtrisé: la fusion des hydrates de méthane engendre des écoulements de fluide et des transferts thermiques au sein d'un milieu poreux. Les propriétés de ce milieu poreux évoluent donc avec la disparition de la phase hydrate et la présence éventuelle d'une phase glace au cours de la dissociation. Les transferts de masse et de chaleur doivent donc être couplés, afin de tenir compte premièrement du changement de la perméabilité et deuxièmement de l'évolution de la conductivité thermique du système.<br />Dans cette étude, les transferts de masse et de chaleur ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un modèle numérique 2D est proposé dans lequel les transferts de chaleur et de masse gouvernent la dissociation des hydrates de méthane. Les résultats numériques montrent la présence de gradients de pression et de température au sein du milieu poreux et l'évolution de la frontière de dissociation selon le type de sédiment utilisé. Ce modèle est utilisé afin de dimensionner un dispositif expérimental de dissociation de carottes sédimentaires partiellement saturées en hydrates de méthane qui permet un suivi précis de la cinétique de dissociation.<br />Le montage expérimental est composé de cinq zones cylindriques de même diamètre (1/2 inch) mais de tailles différentes (pour une longueur totale de 2,6 m). Chaque zone est contrôlée en pression et en température. Chaque expérience consiste en une cristallisation d'hydrates de méthane au sein d'un milieu poreux, puis en une dissociation de ces mêmes hydrates par une méthode de contrôle de la pression à une extrémité du dispositif. La cinétique de dissociation est étudiée par le suivi de la pression dans un ballast (situé en aval du dispositif). Les résultats obtenus, via une étude paramétrique, permettent de cibler les paramètres clés de la dissociation de ces hydrates sédimentaires et d'observer leur impact sur la cinétique de dissociation. Deux régimes bien distincts de dissociation sont mis en évidence et caractérisés selon les propriétés du sédiment partiellement saturé en hydrates de méthane. Le rôle de la glace au cours de la dissociation est également étudié pour ces deux types de dissociation. <br />Enfin, la correspondance des résultats numériques et expérimentaux est mise en évidence par comparaison de courbes de cinétique de dissociation et de courbes d'évolution de la pression au sein du milieu poreux.

La connaissance des réservoirs géologiques et de leur évolution est cruciale pour toutes les applications les mettant en jeu (prospection/extraction de pétrole ou de gaz, stockage de gaz ou de déchets, réhabilitation de sites industriels, dépollution des sols et des nappes phréatiques). La complexité des phénomènes couplés de réaction chimique et transport, la non-linéarité des équations en découlant et la diversité des échelles d'observation (en espace et en temps) amènent à avoir recours à la modélisation. Lors des injections de gaz acides dans des structures géologiques potentiellement capables de les stocker, les minéraux présents primaires) les plus réactifs se dissolvent, du fait de l'acidification de l'eau en place. En conséquence, le fluide se charge en éléments issus de ces réactions jusqu'à atteindre un état de sursaturation par rapport à d'autres minéraux primaires, mais aussi par rapport à des minéraux jusque là absents de l'assemblage (secondaires) qui peut les amener à précipiter. Dans ces configurations, la justesse des prédictions du comportement du système, qui permettent de s'assurer de la pérennité du stockage du gaz et de se prémunir contre les risques mécaniques éventuels, va dépendre de l'aptitude du programme à bien choisir les solides qui précipitent et à connaître précisément à la fois les cinétiques de croissance des minéraux primaires et les cinétiques de formation des minéraux secondaires.<br />Dans le code ARCHIMEDE (développé à l'E.N.S.M-S.E, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, en collaboration avec l'I.F.P, Institut Français du Pétrole), seule la partie géochimie est concernée. Outre quelques difficultés qui empêchaient de traiter les variations de volume occasionnées par les réactions et que nous nous sommes efforcés de résoudre en reprenant l'ensemble du programme, l'objectif principal de ce travail de thèse a été la conception et l'implémentation d'un modèle de germination/mûrissement/croissance pour les minéraux secondaires.<br />Notre démarche a consisté à analyser précisément l'apparition de nouveaux minéraux dans des assemblages naturels d'où ils sont absents initialement. Quelques simulations numériques ont permis de montrer les limites inhérentes à la représentation, inadaptée, de la précipitation de ce genre de minéraux par croissance cristalline. La mise en avant de ces faiblesses a défini alors le cadre pour un nouveau modèle de précipitation propre aux minéraux secondaires. Une étude détaillée de la phase de germination, à savoir l'apparition des premiers cristaux d'un minéral, a conduit à la construction d'un modèle pour sa cinétique. Par suite, la mise en compétition du processus de germination avec celui de croissance, destiné à prendre plus tard le relais de la production de volume du nouveau solide, a nécessité la prise en charge de cristaux de tailles variées et le recours au mûrissement d'Ostwald, via un calcul parallèle. Il en a résulté un algorithme élaboré pour gérer, pour chaque minéral secondaire, la phase initiale de germination/mûrissement et ensuite le passage à la phase de croissance cristalline. La sensibilité de ce nouveau modèle complet de germination/mûrissement/croissance vis-à-vis des différents paramètres qui le composent a pu être analysée moyennant de nouvelles simulations numériques. Son comportement, en terme d'acuité des prédictions, a également pu être mis à l'épreuve et finalement jugé satisfaisant.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'effet de l'hétérogénéité du milieu poreux et de la stratification sur l'écoulement et le transfert colloïdal par des expériences de traçage non réactif et d'injection d'une suspension colloïdale en colonnes de laboratoire. Cette étude a été appliquée à des milieux à double porosité naturelle (milieu granulaire) et artificielle (sable avec macropore artificiel) en conditions saturées et non saturées. L'effet de la stratification de deux milieux a été étudié par amendement avec un géotextile. La modélisation numérique a été utilisée pour proposer et valider un modèle conceptuel d'écoulement et de transfert dans un milieu sableux rendu hétérogène par introduction d'un macropore artificiel ainsi qu'un modèle d'influence de la stratification. Les résultats expérimentaux et la modélisation ont permi de mettre en évidence l'effet de la stratification comme réducteur du rôle joué par la macroporosité. Alors qu'en conditions non saturées, la stratification n'induit aucune modification de l'écoulement, en saturé, elle réduit les écoulements et les transferts préférentiels au sein de la macroporosité en favorisant la redistribution de l'eau et des solutés de la macroporosité vers la microporosité au droit de la strate. Une des applications pratiques de ce travail concerne la réduction du transfert colloïdal, potentiellement vecteur de pollution, par l'introduction de géotextiles dans le sol des bassins d'infiltration.

La problématique de cette thèse est l'amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l'herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d'humidité. Le travail consiste en l'étude d'un capteur pour mesurer in situ le taux d'humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d'évaluation de l'herméticité, l'intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l'atmosphère de la cavité sur une longue période d'utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent).<br />Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d'abord été caractérisées d'un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d'azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m²/g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d'image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d'estimer les distributions de taille de pore, porosité, surface spécifique et fraction volumique d'oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l'analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l'absence d'hypothèse mathématique sur l'estimation de la DTP.<br />Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d'humidité : -90 % entre 0 et 80 % d'humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l'hypothèse d'une barrière de potentiels à l'interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d'oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface.<br />L'utilité d'un capteur d'humidité in situ en Si poreux pour l'herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d'un prototype.

Cette thèse a pour objectif d'étudier les potentialités des pompes électrocinétiques pour des applications de type refroidissement de composants de l'électronique de puissance. En effet, les pompes mécaniques utilisées aujourd'hui présentent des problèmes en terme de fiabilité, de bruit, de coût et de volume. Après une étude bibliographique et comparative entre les différentes pompes statiques fonctionnant à partir d'un champ électrique, nous avons choisi d'étudier plus en détail les pompes électro-osmotiques poreuses. Une modélisation de ce type de pompe a été proposée et validée expérimentalement. Nous avons également développé une formulation analytique de l'efficacité thermodynamique optimale d'une pompe électroosmotique poreuse. Deux types de fonctionnement ont été abordés dans cette thèse : une étude avec une tension continue et une autre étude avec une tension alternative. Nous avons mis en oeuvre la pompe fonctionnant en alternatif dans une boucle de refroidissement diphasique. Une densité de flux de 100W/cm2 a pu être évacuée. D'autres applications industrielles de la pompe électro-osmotique ont également été envisagées.

L'objectif de cette thèse était de proposer une nouvelle méthode pour le stockage de masse sur disque dur et d'en démontrer la faisabilité. L'enregistrement thermomagnétique sous pointe utilise l'effet combiné d'un échauffement local produit par transfert thermique en champ proche avec une pointe chaude et d'un champ magnétique macroscopique pour retourner l'aimantation d'un point mémoire nanostructuré.<br />Une première partie du travail a été de déterminer les conditions pour lesquelles l'échauffement local était suffisant (400-450K) pour retourner l'aimantation sous faible champ magnétique. Des simulations numériques ont permis de montrer que les transferts thermiques par l'air et radiatif étaient trop faibles pour produire un tel échauffemment. L'utilisation d'un substrat structuré et isolant est d'autre part nécessaire pour limiter les pertes thermiques par conduction.<br />La conductivité thermique du silicium poreux peut atteindre des conductivités thermiques aussi faibles que 0.14W.m-1.K-1 pour des porosités de 70%. Une couche de poreuse est formé à partir d'un substrat structuré de silicium. Les propriétés magnétiques des multicouches Co/Pt et d'alliage amorphe de TbFeCo déposées sur silicium poreux et substrat de silicium poreux ont été étudiées. En ce qui concerne les multicouches Co/Pt, déposées sur une couche poreuse de 5µm d'épaisseur, elles sont compatibles avec l'enregistrement magnétique à hautes densités.<br />Des pointes AFM chauffantes ont été réalisées à partir de pointes commerciales afin d'être montée sur un microscope AFM. Malgré leur forte consommation électrique et leur temps de réponse lent, elles peuvent être échauffées à haute température. D'autre part, un microscope AFM a été spécialement adapté pour réaliser des tests d'écriture thermomagnétique. Les premiers test ont mis en évidence le retournement assisté thermiquement d'un plot magnétique. Des efforts devront être réalisés pour permettre une procédure d'écriture plus systématique et reproductible.<br />Un montage expérimental permettant de mesurer les échanges thermiques en champ proche entre un pointe et une surface est en cours de développement. Des premiers résultats prometteurs ont mis en évidence la présence de plusieurs régimes d'échange thermique.

La propagation d'ondes sismiques dans les milieux poreux contenant des fluides engendre des phénomènes<br />électromagnétiques dus à des couplages électrocinétiques à l'échelle des pores. Ces effets sont perçus comme une<br />nouvelle méthode de caractérisation des milieux poreux avec des applications potentiellement importantes en<br />géophysique de réservoir. Afin de mieux comprendre les mécanismes de conversion d'énergie sismique en<br />énergie électromagnétique, nous avons construit une expérience analogique dans le Laboratoire Souterrain à Bas<br />Bruit (LSBB, Rustrel). Le dispositif expérimental est constitué d'une colonne cylindrique (1 m de haut et 8 cm de<br />diamètre) remplie de sable de Fontainebleau et équipée d'accéléromètres piézoélectriques, d'électrodes non<br />polarisables et de magnétomètres à induction. La comparaison des réponses sismo-électromagnétiques en milieu<br />sec ou humide permet de confirmer l'origine électrocinétique des phénomènes observés. Les différences de<br />vitesse apparente des champs sismique et électrique (1250 m/s) d'une part, et magnétique (800 m/s) d'autre part,<br />montrent que le champ sismo-magnétique est couplé aux modes de propagation transverses. Cette étude<br />s'enrichit par ailleurs d'une série d'observations du champ sismo-électrique qui soulignent l'intérêt de telles<br />mesures sur le terrain. Ce travail montre également la nécessité de poursuivre le développement de la théorie des<br />effets électrocinétiques en milieu partiellement saturé.

Les ions trivalents de terre rare ont des propriétés très voisines et leurs séparation les uns des autres, généralement délicate, est souvent effectuée par xtraction par solvant ou échange d'ions. L'électrophorèse à focalisation représente une alternative à ces techniques éprouvées et l'objet de ce travail était l'étude fondamentale des phénomènes de transport d'ions dans un tel procédé. L'électrophorèse dite à focalisation permet de séparer des espèces amphotères comme des cations de terres rares, M+3, en ayant recours à un gradient de pH dans la cellule et à l'ajout d'un complexant acide (EDTA) par exemple. Cette méthode repose sur la différence des points isoélectriques de ces espèces, présentés sous forme cationique prés de l'anode ou bien sous la forme complexé ionique, plus prés de la cathode. Les ions de terres rares sont soumis aux effets antagonistes de la diffusion et de la migration, ce qui permet leur focalisation au point isoélectrique, correspondant au pH pour lequel leur mobilité effective est nulle.<br />Après un étude bibliographique sur les terres rares et les procédés de séparation par électrophorèse, ce mémoire décrit des approches théoriques et expérimentales des équilibres de complexation de quelques terres rares ( lanthane, cérium, praséodyme et néodyme) en fonction du pH ainsi que l'estimation du point isoélectrique. Les phénomènes des transport et de focalisation en vie de la séparation de deux terres rares font l'objet du dernier chapitre : l'étude a été conduite tout d'abord en absence d'écoulement forcé de la solution et a permis de dégager des conditions opératoires permettant la focalisation d'une espèce. L'apport méthodologique a été utilisé pour la conception et la réalisation d'un cellule avec circulation continue de solution et dotée de 42 capteurs de températures et 42 de potentiels. Les résultats de premier essais de focalisation et de séparation de deux terres rares sous la forme de profils des différentes grandeurs, sont présentés et discutés.