Les émissions de CO2 dans l'atmosphère sont reconnues comme ayant un effet significatif sur le réchauffement climatique. Le stockage géologique de CO2 est largement considéré comme une approche essentielle pour réduire l'impact de telles émissions sur l'environnement. De plus, injecter du dioxyde de carbone dans les veines de charbon remplies de méthane présent naturellement facilite la récupération de ce méthane, un processus connu sous le nom de récupération assistée du méthane des veines de charbon (ECBM en anglais). Mais le gonflement de la matrice de charbon induite par l'adsorption préférentielle de dioxyde de carbone par rapport au méthane conduit à la fermeture du système de cleats (un ensemble de petites fractures naturelles) du réservoir et donc à une perte d'injectivité. Cette thèse de doctorat est consacrée à l'étude de comment cet injectivité évolue en présence de fluides. Nous dérivons deux modèles poromécaniques à double porosité pour une veine de charbon saturée par un liquide pur. Les équations constitutives obtenues permettent de mieux comprendre et modéliser le lien entre injectivité de la veine de charbon et gonflement du charbon induit par l'adsorption. Pour les deux modèles, on considère l'espace poreux du réservoir comme divisé en les cleats macroporeuses et les pores de la matrice de charbon. Les deux modèles diffèrent dans la manière dont l'adsorption de fluide est prise en compte : le premier modèle est limité à une adsorption surfacique, tandis que le deuxième modèle peut être appliqué à l'adsorption dans un milieu possédant un réseau poreux générique, et donc dans un milieu microporeux comme le charbon, pour lequel l'adsorption se déroule principalement par remplissage de micropores. Le second modèle est calibré sur deux charbons avec des propriétés de sorption et de gonflement différentes. Nous effectuons alors des simulations à différentes échelles (du Volume Élémentaire Représentatif, de l'échantillon de charbon, la veine de charbon). En particulier, nous validons notre modèle sur des données expérimentales de variations de perméabilité de charbon induites par l'adsorption. Nous effectuons aussi des simulations de veines dont le méthane serait produit (un processus connu sous le nom de CBM en anglais) ou de veines sans méthane dans lesquelles du CO2 serait injecté. Nous étudions l'effet de différents paramètres tels que les conditions aux limites, la compressibilité de la matrice de charbon, ou la cinétique de transfert de liquide entre les cleats et la matrice de charbon. Dans une dernière partie, le modèle dérivé est étendu aux cas pour lesquels le charbon est en présence de mélanges fluides binaires tels que les mélanges de méthane et le dioxyde de carbone. Nous calibrons entièrement calibré ce modèle étendu sur des données disponibles obtenues expérimentalement et par simulations moléculaires. Des calculs sont alors effectués à l'échelle d'un Volume Élémentaire Représentatif pour prévoir comment sa porosité et sa perméabilité varient en présence de mélanges fluides de méthane et de dioxyde de carbone / CO2 emissions into the atmosphere are recognized to have a significant effect on global warming. Geological storage of CO2 is widely regarded as an essential approach to reduce the impact of such emissions on the environment. Moreover, injecting carbon dioxide in coal bed methane reservoirs facilitates the recovery of the methane naturally present, a process known as enhanced coal bed methane recovery (ECBM). But the swelling of the coal matrix induced by the preferential adsorption by coal of carbon dioxide over the methane in place leads to a closure of the cleat system (a set of small natural fractures) of the reservoir and therefore to a loss of injectivity. This PhD thesis is dedicated to a study of how this injectivity evolves in presence of fluids. We derive two poromechanical dual-porosity models for a coal bed reservoir saturated by a pure fluid. The resulting constitutive equations enable to better understand and model the link between the injectivity of a coal seam and the adsorption-induced swelling of coal. For both models, the pore space of the reservoir is considered to be divided into the macroporous cleats and the pores of the coal matrix. The two models differ by how adsorption of fluid is taken into account: the first model is restricted to surface adsorption, while the second model can be applied for adsorption in a medium with a generic pore size distribution and thus in a microporous medium such as coal, in which adsorption mostly occurs by micropore filling. The latter model is calibrated on two coals with different sorption and swelling properties. We then perform simulations at various scales (Representative Elementary Volume, coal sample, coal seam). In particular, we validate our model on experimental data of adsorption-induced variations of permeability of coal. We also perform simulations of seams from which methane would be produced (CBM) or of methane-free seams into which CO2 would be injected. We study the effect of various parameters such as boundary conditions, compressibility of the coal matrix, or kinetics of transfer of fluid between cleats and coal matrix. In a final part, the derived model is extended to cases for which coal is in presence of fluid binary mixtures such as mixtures of methane and carbon dioxide. We fully calibrate this extended model on available data obtained experimentally and by molecular simulations. Calculations are then performed at the scale of a Representative Elementary Volume in order to predict how its porosity and its permeability vary in presence of fluid mixtures of methane and carbon dioxide

Cette étude vise à améliorer la compréhension d’un phénomène observé lors de l’exploitation de réservoir de stockage de gaz naturel : la venue de sable dans le puits de forage. Cette venue de sable peut être due à des facteurs structurels ou à une fatigue du matériau suite aux cycles de pression de gaz. Ce travail se concentre sur l’aspect comportement du matériau et il est composé de plusieurs parties complémentaires. Le critère de rupture de type Drucker-Pragger est identifié en contrainte effective triaxiale sans pression de pore. Son utilisation avec pression permet ensuite d’évaluer la pression de gaz critique entrainant la rupture. Cette pression est ensuite appliquée à 80% de sa valeur pour observer si des phénomènes différés peuvent survenir. On a en effet obtenu la rupture dans plusieurs cas après avoir maintenu cette pression pendant un long laps de temps et montré que les cycles de pression endommageaient significativement le matériau. En parallèle, la perméabilité du matériau sous contrainte axiale décroît constamment, malgré sa dilatance, ce qui selon nous, confirme la venue de sable. Enfin nous avons montré que l’endommagement du matériau accroît notablement sa légère anisotropie naturelle et s’accompagne d’un impact très clair sur les couplages poro-mécaniques (coefficient de Biot). Cette partie du travail donne ainsi des outils qui pourraient être utilisés dans la description des effets structuraux induits par les variations de pression de gaz autour du forage. / This study aims to improve the understanding of the phenomenon of sand production around borehole during exploitation of natural gas storage. The source of sand may be due to structural factors or fatigue of the material because of the cyclic injection and extraction of gas pressure. This work focuses on the mechanical behaviors, transport properties and poromechanical proprieties of a sandstone. The Drucker-Pragger failure criterion is identified with triaxial effective stress without pore pressure. It can be used to evaluate the critical gas pressure causing rock failure at constant confining pressure and deviatoric stress. 80% of the critical gas pressure is then applied to observe whether different phenomenon will occur. Several cases of rupture are obtained after maintaining this gas pressure for a long time and cyclic loading-unloading of gas pressure damages the material significantly. At the meantime, the permeability of the material under axial stress decreases constantly even at volumetric dilatation stages which confirms the phenomenon of sand production. Finally, we find that mechanical damage increases its slightly natural anisotropy and it has a very significant influence on the poro-mechanical behaviors (Biot’s coefficient). This part of the work can be used to describe the structural effects induced by gas pressure variation around the borehole

L’influence de l’eau sur les propriétés mécaniques des roches a fait l’objet de peu d’études jusqu’à présent. Or dans de nombreuses situations, la différence entre le comportement mécanique de la roche sèche et saturée en eau peut être appréciable. De nouveaux champs d’application, tels que l’analyse des risques liés à l’après-mine ou les problématiques relatives au stockage souterrain des déchets nucléaires, requièrent actuellement une connaissance plus approfondie de ces aspects.<p><p>Cette étude expérimentale se propose donc de contribuer à une meilleure compréhension du comportement hydromécanique de matériaux rocheux partiellement saturés. Pour ce faire, la démarche suivie a consisté à se baser sur des techniques et outils bien établis pour les sols (meubles), et à les adapter aux matériaux rocheux. Dans ce contexte, une première étude a été menée sur un matériau rocheux argileux, le schiste de Beringen, et a permis d’évaluer l’influence de la succion pour les états de compression simple. <p><p>Suite à cette première étude, d’autres états de contrainte ont été envisagés, principalement au moyen de l’essai triaxial. Le contrôle de la succion en cours d’essai a demandé d’importantes transformations au système triaxial déjà disponible au laboratoire. En parallèle, un nouvel équipement, comprenant notamment un contrôle de la succion par la méthode de translation d’axes, a été conçu et mis en service. La suite du programme expérimental a été réalisée sur une roche poreuse et très homogène :le calcaire de Sorcy.<p><p>A l’état sec, les résultats d’essais triaxiaux et polyaxiaux ont permis la construction de surfaces de charge tridimensionnelles. En plan méridien, comme pour d’autres roches poreuses, la résistance augmente avec la pression de confinement lorsque celle-ci reste assez faible (inférieure à 15 MPa environ) ;le comportement est fragile. Aux confinements plus élevés, le comportement devient ductile. En plan octaédrique, la forme de la surface évolue depuis le triangle jusqu’au cercle dans la partie fragile, puis continue à évoluer vers un triangle (inversé par rapport au premier) dans le domaine ductile.<p><p>En conditions saturées, un ensemble cohérent de paramètres poroélastiques a été mesuré, parmi lesquels le coefficient de Biot (qui a été évalué à environ 0.85). La variabilité de ces paramètres entre échantillons et en fonction de l’état de contrainte a été examinée. Dans le domaine poroplastique, c’est la contrainte effective de Terzaghi qui se révèle contrôler le comportement mécanique, malgré que le coefficient de Biot soit inférieur à 1. En plan méridien, l’enveloppe obtenue pour le matériau saturé se rapproche de celle du matériau sec, moyennant une normalisation par rapport à sa longueur horizontale. Ceci suggère que la prise en compte des conditions non saturées pourrait se faire, comme souvent pour les sols, par l’ajout d’un axe supplémentaire :la succion.<p><p>En conditions non saturées, les essais réalisés en conditions isotropes à succion contrôlée montrent une forte augmentation du module d’incompressibilité drainé avec la pression de confinement et une faible augmentation avec la succion. Ceci tend à conforter les hypothèses adoptées.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.

Ce travail vise à étudier les propriétés de transport et le comportement poromécaniquede fluides simples confinés dans des nanopores lamellaires par le biais de simulationsmoléculaires. Pour ce faire, nous avons proposé différents schémas de simulations de ladynamique moléculaire dans des ensembles adaptés aux propriétés étudiées (diffusion demasse, viscosité, force de friction, gonflement …). Il a été note que les propriétés de transportde fluides fortement inhomogènes variaient fortement dans la direction perpendiculaire auxmurs solides. Nous avons alors proposé une approche non-locale permettant de déterminerquantitativement la viscosité locale de fluides inhomogènes à partir du profil de densité etapplicable pour des sphères dures, molles et le fluide de Lennard-Jones. Il a été égalementmontré qu’un fluide de Lennard-Jones fortement confiné pouvait avoir un comportementviscoplastique (et rhéofluidifiant) si un ordre structurel était induit dans le fluide par laposition relative des murs solides. Enfin, nous avons montré qu’une modification importantede la pression de solvatation du fluide confiné peut être induite par cisaillement ce qui peutinduire un gonflement « dynamique » d’un nanopore lamellaire. / This work aims at investigating the transport properties and the poromechanics of simple spherical fluids confined in slit nanopores through molecular simulations. To do so, we have proposed different schemes to perform molecular dynamics simulations in ensembles adequate to deal with the properties we were looking after (mass diffusion, shear viscosity,friction force, swelling …). The transport properties of strongly inhomogeneous fluids were found to be varying with space perpendicularly to the solid walls. We have then proposed a non-local approach to determine quantitatively the local shear viscosity of such inhomogeneous fluids from the density profile applicable from the Hard-Sphere to the Lennard-Jones fluids. In addition, it has been shown that highly confined Lennard-Jones fluid may exhibit a visco-plastic (+ shear thinning) behavior when a strong structural order is induced in the whole confined fluid because of the relative position of the solid walls. Finally, it was demonstrated that shear induced modifications of the solvation pressure of a confined fluid may exist that leads to a “dynamic” swelling when a slit micropore is sheared.

On aborde quelques problèmes de durabilité posés par l'utilisation de géomatériaux en génie civil dans lesquels interviennent de forts couplages thermo-hydro-physico-chimio-mécaniques : (i) perméabilité à l'eau liquide des matériaux cimentaires ; (ii) perméabilité électro-osmotique dans les argiles ; (iii) comportement mécanique des bétons au gel/dégel.

Dans un contexte de réduction internationale des émissions de gaz à effet de serre, les techniques de Captage Transport et Stockage de CO2 (CTSC) apparaissent comme une solution à moyen terme particulièrement efficace. En effet, les capacités de stockage géologique pourraient s'élever jusqu'à plusieurs millions de tonnes de CO2 injectées par an, soit une réduction substantielle des émissions atmosphériques de ce gaz. Une des cibles privilégiées pour la mise en place de cette solution sont les aquifères salins profonds. Ces aquifères sont des formations géologiques contenant une saumure dont la salinité est souvent supérieure à celle de la mer la rendant impropre à la consommation. Cependant, cette technique fait face à de nombreux défis technologiques ; en particulier la précipitation des sels, dissous dans l'eau présente initialement dans l'aquifère cible, suite à son évaporation par le CO2 injecté. Les conséquences de cette précipitation sont multiples, mais la plus importante est une modification de l'injectivité, c'est-à-dire des capacités d'injection. La connaissance de l'influence de la précipitation sur l'injectivité est particulièrement importante tant au niveau de l'efficacité du stockage et de l'injection qu'au niveau de la sécurité et de la durabilité du stockage. Le but de ces travaux de thèse est de comparer l'importance relative des phénomènes négatif (colmatage) et positif (fracturation) consécutifs à l'injection de CO2 et à la précipitation des sels. Au vu des nombreux résultats de simulations et de modélisation dans la littérature décrivant le colmatage de la porosité, il a été décidé de porter l'accent sur les effets mécaniques de la cristallisation des sels et la possible déformation de la roche mère. Une modélisation macroscopique et microscopique, tenant compte de deux modes possibles d'évaporation induits par la distribution spatiale de l'eau résiduelle a donc été développée afin de prédire le comportement mécanique d'un matériau poreux soumis à un assèchement par injection de CO2. Les résultats montrent que la pression de cristallisation consécutive à la croissance d'un cristal en milieu confiné peut atteindre des valeurs susceptibles localement de dépasser la résistance mécanique du matériau, soulignant ainsi l'importance de ces phénomènes dans le comportement mécanique global de l'aquifère. Sur le plan expérimental, les travaux ont porté sur l'utilisation d'un nouveau prototype de percolation réactive afin de reproduire le comportement d'une carotte de roche soumise à l'injection et ainsi obtenir l'évolution des perméabilités dans des conditions similaires à celle d'un aquifère.