En France, le système de stockage profond de déchets radioactifs envisagé est constitué d’une barrière naturelle (roche hôte argileuse, argilite) et de barrières artificielles, comprenant des bouchons d’argile gonflante (bentonite)-sable pour son scellement. L'objectif de cette thèse est d’étudier l’efficacité du gonflement et du scellement des bouchons placés dans l’argilite, sous l’effet, à la fois, d’une pression d’eau et d’une pression de gaz (tel que formé dans le tunnel). Pour évaluer la capacité de scellement du bouchon bentonite/sable partiellement saturé en eau, on a évalué sa perméabilité au gaz Kgaz sous pression de confinement variable (jusqu’à 12MPa). L'étanchéité au gaz (Kgaz < 10-20m2) est obtenue sous confinement Pc≥9MPa si la saturation est d’au moins 86-91%. Par ailleurs, nous avons évalué le gonflement et l'étanchéité du bouchon de bentonite-sable imbibé d’eau dans un tube d’argilite ou de Plexiglas-aluminium lisse ou rugueux. La présence de gaz diminue la pression effective de gonflement (et la pression de percée de gaz) à partir d’une pression Pgaz= 4 MPa. Après saturation complète en eau, l’écoulement continu de gaz au travers du bouchon seul se fait à Pgaz=7-8MPa s’il dispose d’une interface lisse avec un autre matériau (tube métallique), alors que celui au travers de l’ensemble bouchon/argilite a lieu à Pgaz=7-7,5MPa. Le passage à travers le bouchon gonflé au contact d’une interface rugueuse se fait à une pression de gaz bien supérieure à la pression de gonflement du bouchon. Les essais de percée de gaz montrent que l'interface et l'argilite sont deux voies possibles de migration de gaz lorsque l’ensemble bouchon/roche hôte est complètement saturé / In France, the deep underground nuclear waste repository consists of a natural barrier (in an argillaceous rock named argillite), associated to artificial barriers, including plugs of swelling clay (bentonite)-sand for tunnel sealing purposes. The main objective of this thesis is to assess the sealing efficiency of the bentonite-sand plug in contact with argillite, in presence of both water and gas pressures. To assess the sealing ability of partially water-saturated bentonite/sand plugs, their gas permeability is measured under varying confining pressure (up to 12MPa). It is observed that tightness to gas is achieved under confinement greater than 9MPafor saturation levels of at least 86-91%. We than assess the sealing efficiency of the bentonite-sand plug placed in a tube of argillite or of Plexiglas-aluminium (with a smooth or a rough interface). The presence of pressurized gas affects the effective swelling pressure at values Pgas from 4MPa. Continuous gas breakthrough of fully water-saturated bentonite-sand plugs is obtained for gas pressures on the order of full swelling pressure (7-8MPa), whenever the plug is applied along a smooth interface. Whenever a rough interface is used in contact with the bentonite-sand plug, a gas pressure significantly greater than its swelling pressure is needed for gas to pass continuously. Gas breakthrough tests show that the interface between plug/argillite or the argillite itself are two preferential pathways for gas migration, when the assembly is fully saturated

Les réservoirs dits « tight gas » sont constitués de grès de faible perméabilité ayant des propriétés petro-physiques susceptibles de nuire à la productivité du gisement. Une importante zone de transition est observée in situ dans laquelle ni l’eau ni le gaz ne sont suffisamment mobiles pour permettre une extraction industrielle : c’est ce que l’on appellera le « permeability jail ». Cette étude vise principalement à caractériser l’influence du chargement mécanique (via l’utilisation de différentes pressions de confinement) et de la nature des roches (roches provenant de différents puits et prélevées à différentes profondeurs) sur les courbes de perméabilité relative au gaz et les caractéristiques poro-mécaniques de ces roches. La porosité accessible à l’eau mesurée est de 2 à 12%. La perméabilité intrinsèque au gaz a mis en évidence de fortes disparités sans lien avec la porosité des échantillons. Une grande sensibilité de la perméabilité relative au confinement a été observée dès l’application de pressions de confinement de 15 à 30 MPa. Deux familles d’échantillons ont ainsi été identifiées. Les échantillons les plus perméables (perméabilité compris entre 100 – 1000 μD), sont peu sensibles au confinement et leur perméabilité relative ne chute qu’à partir de saturations de l’ordre de 50%. Les échantillons les moins perméables apparaissent beaucoup plus sensibles à la fois au confinement et à la saturation.Des méthodes classiquement utilisées dans le domaine pétrolier reposant sur l’interprétation d’essais de porosimétrie par intrusion mercure, ont également été mise en œuvre pour évaluer les perméabilités relatives et les comparer aux mesures expérimentales / So-called tight gas reservoirs are constituted of low permeability sandstones, which petro-physical properties may interfere with proper gas recovery. They have a low absolute permeability (below 0.1 mD under ambient conditions), a porosity lower than 10%, and a strong sensitivity to in situ stresses as compared to conventional reservoirs. Moreover, an important transition zone is observed in situ, where partial water saturation is present, and which may extend over several hundred meters over the free water table. In such zone, where water saturation is on the order of 40-50%, neither gas nor water seems sufficiently mobile for industrial extraction: this is the permeability jail. Our aim is to assess their actual petro-physical properties, namely porosity, gas permeability under varying hydrostatic stress and water saturation level, in relation with sandstone microstructure. Accessible water porosity measured is between 2 to 12%. The intrinsic permeability to gas did not appeared related to the porosity of samples. A high sensitivity of gas permeability to confinement was observed. Two families of samples were identified. The more permeable samples (permeability between 100-1000 μD), are relatively insensitive to confinement and their relative permeability decrease for water saturation higher than 50%. Less permeable samples appear much more sensitive to mechanical loading and saturation.Methods classically used in oil and gas industry based on the interpretation of mercury intrusion porosimetry tests have also been used to evaluate relative permeability and compared with experimental measurements

Cette thèse se concentre sur la préparation et l'étude des composites élastomères chargés avec des particules lamellaires et des liquides ioniques. Ces composites sont caractérisés par des propriétés mécaniques améliorées, une diminution du gonflement par les solvants, une faible perméabilité aux gaz ainsi que par une amélioration de la conductivité ionique. Les propriétés de structure et de surface différentes des charges lamellaires, telles que le rapport d'aspect des particules, la surface spécifique et l'activité de surface ont été analysées comme les facteurs impactant le renforcement du caoutchouc nitrile (NBR) et du caoutchouc nitrile carboxylé (XNBR). Une attention particulière a été portée aux systèmes XNBR contenant des hydroxydes doubles lamellaires (MgAI-HDL), qui varient en fonction du rapport Mg / Al et de morphologie de particules. L'application simultanée de MgAI-HDL en tant que charge et en tant qu'agent de réticulation dans XNBR ne fournit pas uniquement un produit écologique sans oxyde de zinc mais également un composite élastomère ionique avec de meilleures propriétés mécaniques, de barrière et de transparence. Cette thèse considère également les applications potentielles des liquides ioniques en tant qu'additifs multifonctionnels dans les composites élastomères afin d'obtenir une bonne dispersion des charges minérales dans une matrice polymère ainsi qu'une amélioration de la conductivité ionique des matériaux composites. La concentration optimale et le type de liquides ioniques ont été sélectionnés pour obtenir un bon compromis entre les propriétés mécaniques et la conductivité des matériaux composites de caoutchouc / This thesis focused on the preparation and the study of elastomer composites filled with layered fillers with improved mechanical properties, decreased swelling in solvents, increased UV stability and reduced gas permeability. The layered minerals were investigated not only in terms of their use as reinforcing fillers for rubbers but also as crosslinking agents, gas barrier and UV stability enhancers. The layered fillers tested belong to a class of cationic clays (natural and synthetic hectorite), anionic clays (hydrotalcites or magnesium aluminum layered double hydroxides MgAI-LDHs) and graphene-based materials. Different structural and surface properties of layered fillers were investigated as factors impacting the reinforcement of acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) and carboxylated acrylonitrile-butadiene rubber (XNBR). Special attention has been devoted to the XNBR systems containing MgAI-LDHs varying in Mg / AI ratios, layers aspect ratios and particles morphologies. It was reported that the simultaneous application of MgAI-LDH as a filler and as a crosslinking agent in XNBR provides not only environmentally friendly, zinc-oxide free product but also ionic elastomer composite with improved mechanical, barrier and transparent properties. This thesis considers also the potential application of imidazolium ionic liquids as dispersing agents in rubber matrix, plasticizers and ionic conductivity enhancers. The optimal concentration and type of ionic liquids were selected for obtaining a good compromise between mechanical and conductivity properties of rubber composites