Cette thèse présente l'étude du procédé de combustion in situ (CIS) dans un réservoir carbonaté fracturé. Afin de modéliser et de simuler les processus à grande échelle, deux axes principaux sont distinguées, qui correspondent aux petites et grandes échelles. Pour traiter les problèmes à petite échelle, un simulateur commercial de réservoir est utilisé afin d’étudier le processus à l'échelle de la carotte. Tout d'abord, le simulateur est validé pour des procédés simples pour lesquels des solutions analytiques sont disponibles. La validation plus poussée est effectuée en utilisant des résultats expérimentaux publiés dans la littérature. Puis, quelques simulations du système fracturé à l'échelle de la carotte sont effectuées. Le but de ces simulations est d'aborder, la faisabilité du processus CIS dans le système fracturé et de distinguer l'importance relative des divers mécanismes de production pétrolière. Dans l'étape suivante, les tests de tube de combustion et de cellule cinétique sont réalisés, afin de mieux comprendre la physique du processus mais aussi la cinétique de combustion dans un système carbonaté fracturé. Les simulations sont également menées à échelle d'un bloc métrique. Afin d'obtenir la connaissance nécessaire pour le changement d'échelle, des simulations sur plusieurs bloc sont menées et les moyenne des certains paramètres sont estimées. Dans la dernière partie, les conclusions sont présentées et la technique de prise de moyenne est utilisée sur un processus simple (combustion du solide-gaz) afin de donner quelques pistes quant aux enjeux futurs de ce genre de problème. / The aim of the present work is to study the in situ combustion (ISC) process at inter-well scale in a fractured reservoir. Due to the complexity associated with the ISC process, highly heterogeneous nature of the fractured reservoirs and some unsuccessful attempts in the past to put the process into practice, the subject of ISC in fractured systems has been receiving little interest and there are still many essential open questions in this area. It is very challenging to answer the question whether the ISC process could be applied in a heavy oil fractured reservoir or not. And if the answer is positive, what is (are) the dominant oil recovery mechanism(s) and finally, how can we model and simulate this process, at least, at inter-well scale. This work tries to give answers to some of these questions. In this regard, we followed a step by step procedure. In the first step, general literature concerning the combustion process in porous media and particularly that related to the combustion process in an oil reservoir was reviewed. Some other references about the modeling of fracture reservoirs were also reviewed. This led us to distinguish some of the main challenges in this area and define a methodology for the rest of the work. Based on this methodology, the first target was to understand and to characterize the behavior of a combustion front at small (Darcy) scale. The second target was to apply the knowledge of the first part to propose a suitable model for ISC at larger scale. To this end, a commercial thermal reservoir simulator (STARS) was used. The simulator was validated for both simple process for which an analytical solution is available and for a more complex process where the laboratory results are on hand. Then, after the validation part, the numerical tool has been used to widely investigate the conditions where a reaction front can propagate in a fractured core. This allowed us to understand some of the leading mechanisms (oxygen diffusion coefficient for extinction/ propagation of combustion front and matrix permeability for oil production). Some other numerical studies provided us with some understanding about the most important mechanism(s) of oil production. Thereafter, some single block simulations were done to investigate the two-dimensional behavior of the ISC process, based on which the underlying process was found to be diffusion dominated both for heat and mass transfers. These results also helped us to distinguish the characteristic length scale of some important parameters (temperature, coke concentration, combustion front, etc.) which can give useful information about the large scale model. After that, an experimental part has been performed to find propagation conditions of ISC at laboratory scale. This was done by varying both the operational conditions (flowrate, pressure and oxygen concentration) and the characteristics of the fractured system (aperture, surface area, permeability). This permitted us to find that in some suitable conditions there is a possibility to generate a combustion front in a fractured system containing heavy oil. To give an idea about the modeling of the process at larger scale, some fine grid simulations are also performed using a multi-block model. By analyzing the results of this model some guidelines are proposed for the large scale model. At the end, a short discussion about the upscaling of an easy system (solid-gas combustion using an Arrhenius law as a function for the mass sink term in a conductive system) is presented based on an upscaling using the volume averaging method.

Nous proposons une méthode d'inversion non linéaire des amplitudes des ondes directes P, SV et SH basée sur l'algorithme du recuit simulé, afin de déterminer à partir d'un nombre limité de stations, le mécanisme au foyer de séismes induits en contexte de réservoir. Cette méthode permet de déterminer aussi bien les paramètres du plan de faille (azimut, pendage et angle de glissement) décrivant une source double-couple, que les six composantes du tenseur des moments décrivant une source plus générale. <br />L'inversion double-couple et l'inversion du tenseur des moments sont testées sur quatre séismes induits dans le réservoir géothermique de Soultz-sous-Forêts. Les mécanismes obtenus sont en accord avec ceux déterminés par Charléty et al. 2007.<br />La méthode d'inversion est appliquée à la sismicité de la saline de Vauvert enregistrée par un réseau permanent de deux stations 3-composante. Dans un premier temps, la méthode est testée sur 15 séismes enregistrés durant le déploiement temporaire d'une antenne de quatre capteurs 3-composante. La comparaison entre l'inversion utilisant les deux stations permanentes et l'antenne temporaires et l'inversion utilisant seulement les deux stations permanentes montre des mécanismes au foyer double-couple identiques pour les séismes localisés entre les deux stations permanentes. Dans un deuxième temps, la méthode est appliquée à un essaim de sismicité. Les mécanismes au foyer obtenus pour 532 évènements, indiquent pour la majorité une rupture le long de fractures sub-verticales NE-SW, interprétée comme de probables ruptures sur les plans stratigraphiques des bancs d'insolubles intercalés dans la formation de sel.

La caractérisation sismique des réservoirs pétroliers nécessite l'intégration de plusieurs techniques telles que la lithosismique, la géomodélisation, la géostatistique, l'utilisation des algorithmes évolutionnaires et la pétrophysique. L'information sismique est d'abord utilisée pour la description de l'architecture externe des réservoirs car son utilisation pour la description des faciès ne se fait pas sans difficultés. L'objectif de cette thèse est d'apporter des outils nouveaux pour aider à l'utilisation de l'information sismique pour caractériser les réservoirs.<br />Un premier travail a consisté à évaluer l'impact des incertitudes structurales sur les inversions pétroélastiques et les conséquences en terme de classification de faciès. Ensuite, nous considérons la modélisation sismique comme aide à l'évaluation du modèle réservoir. Cette modélisation permettra de faire le lien entre les simulateurs réservoir ou les géomodeleurs et la réponse sismique du réservoir. <br />Nous développons ensuite deux approches alternatives aux méthodes traditionnelles en inversion pétroélastique et pétrophysique. La première utilise la méthode géostatistique des déformations graduelles pour créer des réalisations de propriétés réservoirs. Elle permet de créer des propriétés à l'échelle réservoir, conditionnées aux puits, tout en respectant une fonction coût basée sur la comparaison des données sismiques réelles et issues de ces réalisations. <br />La seconde méthode repose sur le principe de la classification supervisée et utilise des réseaux de neurones pour analyser la forme des traces sismiques. Une première étape consiste à générer un volume d'apprentissage contenant tous les modèles pétrophysiques envisageables pour un champ donné. Ces modèles sont analysés par les réseaux de neurones. Les neurones ainsi identifiés sont appliqués aux données réelles, pour identifier des relations pétrophysique/sismique identiques aux données d'apprentissage.<br />Toutes les méthodologies sont validées sur plusieurs réservoirs choisis pour leurs particularités géologiques (complexité structurale, lithologie du réservoir).

Les bassins versants influencés par la présence de barrages-réservoirs constituent les objets d'étude de cette thèse. L'objectif principal est de mettre au point une méthode de prise en compte, au sein d'un modèle pluie-débit global, de l'impact de retenues d'eau artificielles sur le comportement hydrologique du bassin versant. Un tel outil, simple dans sa conception, doit permettre d'améliorer la simulation des débits de bassins versants influencés et d'évaluer l'impact de barrages-réservoirs sur le régime hydrologique des cours d'eau, en particulier lorsque l'on se place loin à l'aval de l'ouvrage. La démarche adoptée est empirique dans le sens où l'on a cherché, sur une base de données de 46 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis et au Brésil, à exploiter au mieux, dans la structure du modèle pluie-débit, une information simple sur les ouvrages, à savoir l'évolution temporelle des volumes stockés dans les retenues. La diversité des conditions hydro-climatiques présentes dans la base de données donne aux résultats obtenus un caractère assez général. Au cours de cette thèse, un grand nombre de solutions de prise en compte des barrages-réservoirs a été testé. Les résultats montrent que cette information sur les remplissages des ouvrages peut être utilement exploitée au sein d'une structure de modèle global pour améliorer la simulation des bassins influencés. Les solutions qui se sont révélées être les plus performantes n'engendrent pas de complexification de la structure initiale du modèle puisqu'aucun ajout de paramètre n'a été nécessaire. Des gains de performances significatifs ont été réalisés, en particulier sur la simulation des étiages. Il s'agit d'un résultat important de la thèse car il montre qu'il est possible de prendre explicitement en compte, dans un modèle pluie-débit global, les barrages-réservoirs présents sur le bassin versant. Nous avons ensuite essayé de comprendre le lien entre la méthode de prise en compte des barrages-réservoirs et certaines caractéristiques physiques des bassins versants et des ouvrages de stockage afin de tenter d'adapter la solution au bassin versant considéré. Les résultats de ces tests ont montré que ce lien est difficile à mettre en évidence et qu'à ce stade, une solution générique semble la plus efficace. La solution la plus performante a ensuite été évaluée sur un échantillon complémentaire de 31 bassins versants n'ayant pas servi à son développement. L'évaluation a confirmé l'intérêt de la méthode pour l'amélioration des simulations des débits mais a également montré sa sensibilité à la disponibilité des données de stockages ainsi qu'aux transferts interbassins inconnus.

HOMOGENEISATION NUMERIQUE DE PARAMETRES PETROPHYSIQUES POUR DES MAILLAGES DESTRUCTURES EN SIMULATION DE RESERVOIR : Dans cette thèse on s?intéresse aux méthodes d?homogénéisations qui nécessitent la résolution de problèmes locaux soumis à des conditions aux limites. Dans la première partie on étudie une méthode avec des conditions aux limites linéaires applicables sur des maillages déstructurés. On montre qu?en utilisant une méthode d?éléments finis mixtes [resp. conformes] on obtient une approximation numérique inférieure [resp. supérieure] du tenseur équivalent. On démontre également un résultat de stabilité pour la G-convergence parabolique. Des approximations numériques du tenseur équivalent calculées sur des domaines 2D et 3D déstructurés sont données ainsi que des simulations d?écoulements monophasiques et diphasiques permettant de valider la méthode. Dans la deuxième partie on définit une nouvelle méthode de mise à l?échelle permettant de prendre en compte des conditions aux limites quelconques appliquées aux problèmes locaux. Sur des maillages déstructurés le tenseur équivalent est déterminé en minimisant l?écart des énergies dissipées (ou. des vitesses moyennes) locales et globales. On obtient, en utilisant les techniques du contrôle optimal, un algorithme de calcul effectif qui permet de retrouver, pour les conditions aux limites classiques, les résultats bien connus. Des résultats de convergence et des estimations d?erreurs sont établis. On montre enfin que cette méthode est stable pour la G-convergence et quelques essais numériques 2D sont présentés.

Parmi les différentes technologies de stockage de l'hydrogène, le stockage gazeux sous haute pression apparaît comme la plus mature. Les développements effectués récemment visent à réduire les coûts et améliorer les performances et la sécurité des réservoirs. A l'heure actuelle, le dimensionnement de ces structures est effectué en considérant les propriétés initiales des matériaux et en se basant sur des coefficients de sécurité empiriques ou arbitraires. Les aspects durabilité et résistances à l'endommagement sont rarement pris en compte dans le dimensionnement. Cette étude vise non seulement à développer les connaissances sur les mécanismes d'endommagement des structures composites fibres de carbone / polyamide (6 et 12) pour leur prise en compte dans le dimensionnement des réservoirs mais aussi à identifier les paramètres matériaux et procédés susceptibles d'avoir une influence sur la structure et les propriétés. Dans un premier temps, le comportement mécanique vierge des matériaux est analysé. Ensuite, une étude expérimentale corrélée à des calculs par éléments finis est menée pour déterminer les cinétiques de trois modes d'endommagement et évaluer leur conséquence sur le comportement du stratifié. Dans un troisième temps, un procédé d'enroulement filamentaire est développé et l'influence des paramètres clefs sur la structure et les propriétés des matériaux est mise en évidence. Enfin, des dimensionnements de réservoirs sont réalisés en tenant compte des mécanismes d'endommagement et évaluer leur influence sur le comportement.

Cette étude porte sur l'utilisation des outils de la géostatistique pour évaluer l'importance des phénomènes de sédimentation dans le barrage Akdarya en Ouzbékistan. Les analyses de variogrammes et les techniques d'interpolation par krigeage ont permis de générer des données dans les zones non échantillonnées du barrage. A l'aide des données de terrain complétées par les données produites par les outils géostatistiques, de nouvelles cartes bathymétriques du barrage ont été générées et ont permis de calculer de façon précise l'évolution du volume d'eau stocké en fonction du taux de sédimentation.

Le cadre de cette étude est le stockage de l'hydrogène par adsorption sur charbon actif sous pression à température ambiante. Cette thèse porte sur les effets thermiques intervenant lors des remplissages à l'hydrogène de réservoirs à lit fixe adsorbant. La partie expérimentale a été effectuée au LIMHP et l'étude numérique à l'aide du logiciel Fluent a été menée au LEGI à Grenoble. Un dispositif expérimental permettant la mesure dynamique de champs de températures et de pression a été mis en place. Une étude expérimentale des effets thermiques au sein du lit en fonction du débit et de la température du lit fixe a été faite pour le gaz hydrogène. Une étude comparative a été faite avec l'hélium. Ensuite une validation des simulations, à l'aide du logiciel Fluent, de remplissages de réservoirs à lit fixe adsorbant a été effectuée par comparaisons des résultats expérimentaux et numériques. Puis des simulations prédictives des effets thermiques ont été faites pour différentes valeurs de la conductivité thermique effective du lit, de températures de parois et de température initiale du lit. L'étude de dissipateurs thermiques internes a été menée à l'aide du logiciel Fluent sur des réservoirs de volume plus important en géométrie 3D. L'augmentation de la conductivité effective du lit permet d'améliorer significativement la quantité stockée par adsorption lorsque les températures du gaz entrant et des parois sont relativement basses, de l'ordre de 233 K. L'étude de dissipateur thermique, sous forme de d'empilements de disques, a montré qu'il existe un nombre optimal de disques.

En Albanie méridionale, les niveaux carbonatées d'âge Crétacé supérieur - Paléocène situés dans la chaîne plissée d'avant-pays des Albanides représentent le principal réservoir producteur en Méditerranée centrale. Dans ces zones complexes, les risques de destruction de la porosité et de la perméabilité des réservoirs sont accrus en raison de la possibilité de fortes circulations de fluides, de la compaction due aux profondeurs atteintes par le réservoir, des contraintes compressives et aux comportements des failles. Les principaux résultats de cette étude ont montré que la fracturation des niveaux réservoirs a une origine pré-plissement, associée à la flexure de l'avant-pays. La première phase de cimentation enregistrée a une signature météorique, impliquant des circulations de fluides descendantes et le développement d'un bombement précoce dans le Bassin Ionien. Ce fluide, fortement enrichi en strontium, atteste de la présence d'importantes interactions fluide-roche avec les évaporites du Trias localisées au niveau des diapirs. Puis, une augmentation de la contrainte compressive horizontale entraîne la migration de fluide en surpression et le développement d'une fracturation hydraulique. L'amorce des chevauchements se traduit par une augmentation rapide de l'enfouissement tectonique, déterminée par la hausse des températures de précipitation des ciments carbonatés. A ce moment, des circulations de fluides ascendantes ou descendantes, riches en sulfate, sont enregistrés. L'étape finale enregistrée se caractérise par le soulèvement de l'unité de Berati, permettant le développement d'une karstification sélective due à la circulation de fluide météorique.

Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réservoirs hydroélectriques, CO₂, carbone organique dissous, ¹³C, C/N, Baie de James, Québec