La roche argileuse, constitué par des minéraux comme l'argile, le quartz et la calcite, etc., est un milieu poreux typique sous enquête dans le monde entier dans l'ingénierie pétrolière, le stockage souterrain de déchets et de la science de l'exploitation minière. Il est important de caractériser les roches argileuses par des approches multi-échelles depuis son comportement mécanique et les propriétés physiques sont étroitement liées à la microstructure et les compositions minéralogiques. La présente thèse est consacrée à l'enquête micromécanique des argiles synthétiques artificielles obtenues par des essais de consolidation à haute pression dans le laboratoire avec la composition minérale et de la porosité sous contrôle pour réduire au minimum l'affection de la complexité des microstructures comme dans la nature argilo roches. essais de compression triaxiale avec des cycles de chargement-déchargement sont effectuées pour caractériser les comportements mécaniques et les propriétés de transport des fluides des argiles synthétiques. Le dispositif et les méthodes expérimentales développées sont ensuite utilisées pour caractériser la couche de roche argileuse morts-terrains dans une ingénierie pétrolière en Angola. Les données expérimentales permettent enfin l'application et la validation d'un modèle constitutif micromécanique à base de caractériser et de prédire les comportements mécaniques des argiles synthétiques. / Clayey rock, constituted by such minerals as clay, quartz and calcite, etc., is a typical porous medium under investigation worldwide in petroleum engineering, underground waste storage and mining science. It is important to characterize the clayey rocks by multi-scale approaches since its mechanical behavior and physical properties are closely related to its microstructure and mineralogical compositions. The present thesis is devoted to micromechanical investigation of the man-made synthetic clays obtained by high pressure consolidation tests in laboratory with mineral composition and porosity under control to minimize the affection of microstructural complexity as in nature clayey rocks. Triaxial compression tests with loading-unloading cycles are carried out to characterize both the mechanical behaviors and fluid transport properties of the synthetic clays. The developed experimental device and methods are then used to characterize the overburden clayey rock layer in a petroleum engineering in Angola. The experimental data finally allow the application and validation of a micro-mechanics based constitutive model to characterize and predict the mechanical behaviors of the synthetic clays.

Au cours de la production d'hydrocarbures, l'extraction de fluides fait décroître la pression de pore dans les réservoirs (" depletion "). Ceci induit un changement du champ de contraintes qui résulte en une augmentation des contraintes effectives appliquées sur le réservoir. Les mesures in situ montrent que les variations de contraintes peuvent être décrites par un paramètre appelé chemin de chargement (stress path), défini comme le rapport entre la variation de contrainte effective horizontale et la variation de contrainte effective verticale par rapport aux conditions initiales dans le réservoir. La compaction induite par la production d'hydrocarbures peut avoir de graves conséquences dans le cas de roches faiblement consolidées car elle induit des variations des propriétés pétrophysiques des roches in situ, notamment de la perméabilité, un des paramètres les plus importants pour estimer la performance d'un réservoir mais aussi un des plus difficiles à mesurer. Pour compliquer encore les choses, la perméabilité est souvent anisotrope dans les réservoirs avec de forts contrastes entre la perméabilité horizontale kh et la perméabilité verticale kv. L'objectif de cette étude est de comprendre l'influence des chemins de chargement sur le comportement mécanique et les évolutions couplées de perméabilité pour un sable quartzeux (Sable de la Durance, DS) et un grès faiblement consolidé (grès d'Otter Sherwood, OSS, qui constitue la roche réservoir du champ pétrolier de Wytch Farm en Angleterre). Nos résultats montrent que le grès peu consolidé présente un comportement mécanique similaire à celui de roches consolidées. Au contraire, le sable présente un comportement différent, avec une transition plus graduelle entre les régimes de déformation qui nécessite d'utiliser un critère basé sur l'évolution du rayon de courbure des courbes contraintes-déformations pour déterminer les contraintes limites : cette méthode a été validée par une étude d'analyse des émissions acoustiques pour caractériser l'endommagement. Les domaines de déformation élastique et plastique ont été bien définis et les contraintes limites ont été comparées aux prédictions du modèle Cam-Clay modifié et du modèle d'enveloppe limite normalisée. Les perméabilités horizontale et verticale ont été mesurées sous contraintes. Pour analyser l'influence des effets de bord dans les essais mécaniques, les perméabilités mesurées soit classiquement sur toute la longueur de l'échantillon, soit entre deux points intermédiaires ont été comparées. Pour l'écoulement horizontal, les facteurs géométriques et facteurs d'anisotropie ont été déterminés par des simulations numériques en éléments finis afin de pouvoir déterminer les vraies valeurs de perméabilité horizontale. L'évolution de la perméabilité suit l'évolution de la déformation des matériaux et est contrôlée aussi bien par la déformation volumique que par la déformation en cisaillement. A partir de nos mesures il est possible de séparer l'effet de la pression moyenne de l'effet de la contrainte déviatorique sur l'évolution de la perméabilité en construisant des cartes d'isoperméabilités dans l'espace des contraintes. Enfin une modélisation élasto-plastique a été réalisée pour prédire le comportement hydro-mécanique du grès faiblement consolidé. L'approche utilisée permet de prédire de manière satisfaisante l'évolution de la perméabilité avec les contraintes, à partir d'une loi exponentielle fonction de la déformation effective. Au contraire, pour le sable de la Durance le lien entre l'évolution de la perméabilité et la déformation est loin d'être évidente, notamment aux faibles contraintes où la réduction de perméabilité est très rapide. Pour mieux comprendre ces évolutions de perméabilité, une analyse de l'endommagement a été réalisée par des mesures sur échantillons et en utilisant des techniques d'imagerie à plusieurs échelles.