Le processus de plugging et d'abandon (P&A) des puits de pétrole et de gaz en fin de vie est essentiel pour atténuer les risques tels que la contamination de l'eau, les ruptures de pression, les émissions de gaz et les fuites d'hydrocarbures. Ce processus implique le retrait de segments de cuvelage, le nettoyage interne et externe du cuvelage pour éviter la contamination du ciment, et la mise en place de bouchons de ciment pour sceller le puits. Dans ce contexte, le nettoyage par jet, qui consiste à déplacer des fluides plus légers avec un liquide plus dense, est une technique clé. Cette technique est influencée par des facteurs tels que l'inertie, la flottabilité, la viscosité, la miscibilité et contrainte d'écoulement. Motivée par cette application industrielle, cette thèse de doctorat explore les effets des principaux paramètres de flux sur les jets miscibles flottants, en utilisant des techniques expérimentales non intrusives telles que l'imagerie haute vitesse, la vélocimétrie par images de particules tomographique résolue dans le temps, la fluorescence induite par laser planaire et la vélocimétrie Doppler à ultrasons. Nos travaux examinent notamment comment la vitesse d'injection du jet, le diamètre de la buse, la différence de densité, le rapport de viscosité et la contrainte d'écoulement affectent la dynamique du jet. Plus précisément, nous analysons des caractéristiques telles que la longueur laminaire, la longueur de pénétration, le rayon du jet, le profil de vitesse, l'énergie dissipée, l'indice de mélange et l'énergie cinétique turbulente pour caractériser le comportement des jets flottants. Les résultats sont présentés en fonction de nombres adimensionnels, y compris les nombres de Reynolds (*Re*), Froude (*Fr*), Archimède (*Ar*) et Bingham ($B_{N}$), ainsi que le rapport de viscosité (*m*). Pour les jets Newtoniens verticaux isovisqueux, nous étudions le flux sur une gamme de *Re*, *Fr*, et *Ar* pour classifier les régimes de flux, basés sur l'absence ou la présence de longueur laminaire, en jets semi-turbulents et totalement turbulents. Nous quantifions également les transitions entre ces régimes (*Re* critique) et développons des corrélations prédictives pour les caractéristiques du jet. Nous employons ensuite des techniques d'apprentissage automatique supervisé, y compris les forêts aléatoires, pour améliorer les prédictions des caractéristiques du jet à travers divers *Re* et *Ar*, surpassant les méthodes traditionnelles. Nous étudions ensuite les effets de m sur les comportements de flux de jet flottant, identifiant trois régimes de flux distincts (méduse, entonnoir et cône) et quantifiant comment l'augmentation de *m* influence l'instabilité ou la stabilité selon le régime de flux. En considérant les fluides ambiants à contrainte d'écoulement, pour les jets neutres flottants, nous identifions quatre régimes de flux de jet, y compris les motifs de mélange, de champignon, de doigts et de fracture, par rapport à *Re* et $B_{N}$, et démontrons comment l'augmentation du rapport de la contrainte d'écoulement à la contrainte d'inertie du jet (${B_{N}/{Re}}$) régit la transition entre ces régimes. Enfin, en élargissant le champ de notre travail, nous explorons l'impact de l'épaisseur de la couche de fluide ambiant et de la contrainte d'écoulement sur l'efficacité du nettoyage d'un jet turbulent frappant des fluides Newtoniens et à contrainte d'écoulement, révélant que la contrainte d'écoulement modifie les dynamiques de nettoyage et l'entraînement de l'air. / The plug and abandonment (P&A) of oil and gas wells at their lifecycle end is crucial to mitigate risks, such as water contamination, pressure breakdowns, gas emissions, and hydrocarbon leaks. The P&A process involves removing casing segments, cleaning both interior and exterior of the casing to prevent cement contamination, and placing cement plugs to seal the well. In this context, jet cleaning, which involves displacing lighter fluids with a denser liquid, is a key cleaning technique, and it is influenced by inertia, buoyancy, viscosity, miscibility, and yield stress properties. Motivated by this industrial application, the current Ph.D. thesis investigates the effects of the key flow parameters on miscible buoyant jets, using non-intrusive experimental techniques, including high-speed imaging, time-resolved tomographic particle image velocimetry, planar laser-induced fluorescence, and ultrasound Doppler velocimetry. Our work explores, in particular, how the jet injection velocity, nozzle diameter, density difference, viscosity ratio, and yield stress affect the jet dynamics. Specifically, the jet flow characteristics, such as the laminar length, penetration length, jet radius, velocity profile, dissipated energy, mixing index, and turbulent kinetic energy are analyzed to characterize buoyant jet behavior. The results are accordingly presented versus the dimensionless numbers, including the Reynolds (*Re*), Froude (*Fr*), Archimedes (*Ar*), and Bingham ($B_{N}$) numbers, as well as the viscosity ratio (*m*). For iso-viscous Newtonian vertical buoyant jets, we study the flow across a range of *Re*, *Fr*, and *Ar*, to classify the flow regimes, based on the absence or presence of the laminar length, into semi-turbulent and fully-turbulent jets. We also quantify the transitions between these regimes (critical *Re*), and develop predictive correlations for the jet characteristics. We subsequently employ supervised machine learning techniques, including random forests, to enhance the jet characteristic predictions, across various *Re* and *Ar*, outperforming traditional methods. We then investigate the effects of *m* on buoyant jet flow behaviors, identifying three distinct flow regimes (jellyfish, funnel, and cone), and quantifying how increasing m influences instability/stability depending on the flow regime. Considering yield stress ambient fluids, for neutrally buoyant jets, we identify four jet flow regimes, including mixing, mushroom, fingering, and fracturing patterns, versus *Re* and $B_{N}$ and demonstrate how increasing the ratio of the yield stress to jet inertia stress (${B_{N}/{Re}}$), governs the transition among these regimes. Finally, expanding the scope of our work, we explore the impact of the ambient fluid layer thickness and yield stress on the cleaning efficacy of a turbulent jet impinging on Newtonian and yield stress fluids, revealing that the yield stress modifies cleaning dynamics and air entrainment.

Des simulations numériques tridimensionnelles ont été réalisées pour évaluer les impacts de la migration de méthane en provenance de puits de production abandonnés dans des aquifères peu profonds. Les modèles conceptuels considérés impliquent la migration et la dissolution de méthane gazeux dans les eaux souterraines, la biodégradation du méthane (CH4) dissous dans des conditions anaérobies et aérobies et la production de sulfure (HS-). Les écoulements multiphases d’eau et de méthane et le transport réactif du méthane en milieu poreux sont simulés par les modèles numériques DuMux et BIONAPL/3D respectivement. Tout d’abord, l’impact de la migration de méthane dans un aquifère confiné peu profond en Alberta est évalué. Par la suite, un cas de contamination hypothétique d’un aquifère libre peu profond basé sur le site de Borden en Ontario est considéré. Dans le premier scénario, les simulations montrent que des taux d’oxydation du méthane compris entre 1×10-5 et 1×10-3 kg/m3/j associés à des débits de gaz de 2 à 20 m3/j appliqués pendant 2 ans à la base de l’aquifère permettent de reconstituer les concentrations en CH4 observées sur le terrain. Dans le cas le plus réactif, les concentrations en CH4 atteignent la limite de 10 mg/L après 5 ans alors qu’une concentration maximale en HS- de 142.5 mg/L est atteinte après 2 ans. Dans le second scénario, l’étendue du panache de méthane est beaucoup plus faible que dans le premier scénario et les taux d’oxydation élevés du méthane en conditions aérobie permettent une consommation rapide du CH4. La production de HS- est également moins importante. Les résultats obtenus suggèrent que l'aquifère libre considéré est moins vulnérable à la migration de méthane que le cas confiné. L’acquisition de connaissances sur les caractéristiques physicochimiques des aquifères est nécessaire pour appréhender les impacts de la migration de gaz dans les eaux souterraines.

Le gaz naturel représente environ 20% de la consommation énergétique mondiale et cette part est attendue à la hausse dans les prochaines années en raison de la transition énergétique. Pour des raisons économiques et stratégiques, et afin de réguler les demandes d’énergie entre l’été et l’hiver, le gaz naturel est stocké temporairement dans des réservoirs souterrains, notamment des réservoirs aquifères. Les opérations d’injection et de soutirage du gaz mettent donc en contact des espèces gazeuses, liquides et solides, et rendent potentiellement possibles de nombreux phénomènes de transferts d’espèces chimiques d’un milieu vers un autre. Ainsi, bien que composé majoritairement de méthane (70-90%vol), le gaz naturel peut présenter des concentrations variées d’éléments trace métalliques (arsenic, mercure, plomb…). Compte tenu du caractère néfaste de ces composés, à la fois pour les installations industrielles et pour l’environnement, il est de la première importance de connaître l’impact de la composition chimique du gaz sur l’aquifère.Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans ce contexte et ont eu pour objectif de caractériser les matrices gaz/eau/roche ainsi que les interactions qui existent entre elles, avec pour centre d’intérêt principal les éléments trace métalliques.Pour cela nous avons fait porter nos efforts sur l’optimisation (i) des conditions d’utilisation d’un banc de prélèvement ATEX, basé sur le principe de barbotage, et (ii) des méthodes de piégeages des métaux lourds puis d’analyses employées. Ce dispositif unique permet d’échantillonner les métaux présents dans un gaz naturel sous pression (100 bar maximum). Utilisé sur des sites industriels, ce banc a permis de mesurer et suivre sur plusieurs années la composition chimique en éléments trace métalliques du gaz naturel, mais aussi ponctuellement d’un biogaz et d’un biomethane. En effet, Ces deux derniers gaz ont vocation à réduire l’utilisation des énergies fossiles, celle du gaz naturel en particulier. Les biométhanes sont donc amenés à parcourir les mêmes réseaux de transport et à séjourner dans les mêmes sites de stockage que ceux utilisés pour le gaz naturel.En complément de la caractérisation de la phase gazeuse, nous nous sommes intéressés aux évolutions des compositions chimiques des phases aqueuse et minérale du stockage souterrain, sans pouvoir identifier de mécanisme de transfert spécifiquement lié aux activités de stockage de gaz. / Natural gas represents 20% of energy consumption in the world. This percentage is expected to increase in the next years due to the energy transition. For economic and strategic concerns, and in to regulate energy demand between summer and winter, natural gas might be stored in underground storages like aquifers. Consequently, injection and drawing operations favour contact between gaseous, liquid and solid species and make possible transfer phenomena of chemical species from one matrix to another. In addition, even though natural gases are composed essentially of methane (70-90%vol), they can also show various metallic trace element concentrations (mercury, arsenic, tin…). According harmful effects of these compounds on industrial infrastructures and on environment, knowing impacts of natural gas composition on aquifer storage is crucial.The different tasks of this thesis are incorporated within such a context with the objective to characterize gases-waters-rocks matrices and their potential interactions, focusing on metallic trace elements.Therefore, we have focused a part of this PhD thesis on the optimisation of conditions of use (i) of a in EX zone 0 sampler device, working according to the principle of bubbling and (ii) of trapping methodology as well as analytic methods. This unique device allows metal sampling from natural gases up to 100 bar pressure. Its use on industrial sites has permitted to measure and monitor during several years the metallic trace element chemical compositions of a natural gas and also more limited biogas and a biomethane analysis. Indeed, these two last gases are designed to reduce fossil fuel consumption particularly natural gas one. Biomethanes are led to use the same transportation network and to be temporarily stored in the same way as natural gaz. In addition of the gaseous phase, we have taken interest in the water and the mineral phases to characterize their chemical composition evolutions in time, without identify specific transfer mechanisms in touch with gas storage activity.

Les fluides employés lors du forage pétrolier pour la lubrification de l'outil de forage, l'évacuation des déblais et le maintien de la pression hydrostatique dans le puits sont composés de solides en suspension dans une huile minérale, qui contiennent également une solution aqueuse en émulsion. La formation d'hydrates de gaz dans ces fluides, rendue possible par les conditions de pression et de température du forage offshore, est suspectée d'être à l'origine de plusieurs accidents sérieux. L'objet de cette thèse est l'étude des conditions de formation et de stabilité des hydrates de gaz dans les fluides à base d'émulsion eau - dans - huile. La technique d'analyse calorimétrique différentielle a été retenue en raison de sa compatibilité avec les systèmes les plus complexes. La validité des mesures de températures de dissociation des hydrates de méthane dans les solutions de chlorure de sodium et de chlorure de calcium a été vérifiée pour des pressions comprises entre 4 et 12 MPa. L'application aux émulsions eau - dans - huile, représentant un modèle simplifié des fluides de forage, a permis de vérifier que l'état dispersé de la phase aqueuse n'influence pas de façon mesurable la thermodynamique des hydrates de méthane. Il accroît en revanche fortement la cinétique de formation et les quantités d'hydrate formé. L'application aux fluides réels confirme les résultats obtenus en émulsion. Les informations obtenues permettent de proposer un modèle phénoménologique du processus de formation des hydrates de gaz en émulsion. La modélisation a permis le calcul des limites de stabilité des hydrates de méthane en présence de divers inhibiteurs, à des pressions allant jusqu'à 70 MPa. Les diagrammes de phases isobares hydrate - sel, permettant de prédire l'efficacité de l'inhibition en fonction de la température et de la concentration, ont été établis pour le chlorure de sodium et le chlorure de calcium, pour des pressions allant de 0,25 à 70 MPa.

Les réseaux de transport de gaz naturel nécessitent des investissements très importants pour faire face à une demande toujours croissante en énergie et pour satisfaire des contraintes réglementaires de plus en plus importantes. En effet, la libéralisation des marchés gaziers a imposé aux opérateurs de transport de gaz, d'une part, des règles de transparence d'un monopole naturel pour justifier leurs dépenses et, in fine, leurs tarifs, et, d'autre part, des objectifs de fluidification du marché afin de faciliter l'accès à la concurrence des clients finaux. Ces investissements majeurs justifient l'utilisation de techniques d'optimisation permettant de réduire leurs coûts. Au vue de la présence de choix discrets en combinaison avec des contraintes physiques non linéaires, les programmes à résoudre sont des programmes d'optimisation non linéaires en nombres entiers (PNLNE) de grandes tailles. Ce type de programmes étant connu pour être particulièrement difficile à résoudre en temps polynomial (NP-difficile), des méthodes avancées d'optimisation doivent être mises en œuvre pour obtenir des réponses réalistes. Les objectifs de cette thèse sont au nombre de trois. Il s'agit d'abord de proposer une modélisation des problèmes d'investissement dans les réseaux de transport de gaz à partir des motivations du monde industriel. Il s'agit ensuite d'identifier les méthodes et algorithmes les plus adéquats pour résoudre les problèmes ainsi formulés. Il s'agit enfin d'évaluer les avantages et les inconvénients de ces méthodes à l'aide d'applications numériques sur des cas réels.

En 1968, les premières exportations de gaz naturel soviétique pénètrent le marché européen. Quarante ans plus tard, le marché gazier russo-européen représente le plus grand bassin d'échanges gaziers au monde. Toutefois, malgré les immenses réserves russes et les capacités financières des États européens, une crainte demeure: celle de voir la Russie accentuer sa présence, déjà complète en amont, en aval du marché gazier. Ainsi, Gazprom serait utilisée par le Kremlin pour acquérir le contrôle d'entreprises européennes de distribution de gaz naturel, afin de développer une menace plus efficace encore que la menace nucléaire parce qu'applicable à des durées et degrés divers: la menace énergétique. Ce mémoire se limite aux questions gazières parce que l'étendue aux autres énergies eût représenté un travail colossal inadéquat pour un mémoire de maîtrise. Mais le marché gazier russo-européen implique suffisamment de questionnements sociaux, politiques et économiques pour construire une recherche complète et précise. Le but de ce mémoire sera de déterminer s'il existe des schèmes de relations gazières avec la Russie, et, le cas échéant, comment ces schèmes se développent et influencent les relations qu'entretient Gazprom avec chacun des États partenaires. Parallèlement, et en utilisant ces schèmes, cette recherche tentera aussi de déconstruire le mythe du « danger russe » hérité de la Guerre Froide et qui politise les relations gazières. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Russie, Europe, Politique énergétique, Gaz Naturel, Sécurité de l'approvisionnement.

La pile à combustible à membrane polymère (PEMFC) est une technologie prometteuse pour la micro-cogénération et pourrait voir son marché se développer au moment de la libéralisation du marché européen de l'énergie, portée par des incitations fiscales grâce à sa relative vertu environnementale. Cette thèse vise à étudier le comportement et la conception d'une PEMFC alimentée par un mélange riche en hydrogène obtenu par reformage de gaz naturel, en situation réelle dans un bâtiment, exploitée en cogénération d'électricité et de chaleur. L'étude et l'optimisation de ce système sont menées en s'appuyant sur le fonctionnement d'un prototype réel, le RCU-4500 (4 kW électriques, 6 kW thermiques), expérimenté dans le cadre d'un projet de recherche national. En premier lieu, l'analyse approfondie du fonctionnement du prototype installé permet de comprendre qualitativement et quantitativement un exemple de ce type de système, en le situant dans son contexte technologique. Des mesures de consommation, de puissance électrique produite et de puissance thermique valorisée sont effectuées et une analyse du contrôle-commande est dressée. Une modélisation en régime permanent est développée et validée grâce aux nombreuses données expérimentales fournies par le projet. En second lieu, l'utilisation prédictive du modèle permet de proposer trois variantes de systèmes virtuels avec une nouvelle architecture et stratégie de gestion. Cela est fait en optimisant le rendement électrique puis la valorisation de la chaleur et la récupération de l'eau pour avoir un dispositif globalement autosuffisant en eau. Ces variantes s'appuient aussi sur des améliorations réelles de fonctionnement, réalisées avec succès lors d'essais sur l'une des cinq unités du projet. L'appréhension du procédé dans son ensemble, en tenant compte des interactions entre les différents sous-systèmes, est une nouveauté par rapport aux autres travaux publiés sur ce type de système.

L’efficacité énergétique limite la croissance de la consommation d’énergie tout en réduisant les externalités négatives liées à la consommation d’énergie à l’échelle planétaire. C’est une solution aux défis environnementaux et énergétiques auxquels nous faisons face aujourd’hui. Actuellement, il n’existe pas de consensus quant à la manière d’estimer les gains en efficacité énergétique : la méthode utilisée dépend du but de la recherche et des données disponibles. Dans ce mémoire, nous estimons les tendances d’épargne de consommation de gaz naturel réalisées par l’efficacité énergétique des ménages québécois clients d’Énergir. Pour ce faire, nous utilisons des modèles économétriques linéaires sur des données de panel de consommation de gaz naturel des clients d’Énergir. Le coefficient de la tendance temporelle est considéré comme l’estimateur de l’efficacité énergétique. Une variable de tendance temporelle est parfois intégrée dans les modèles énergétique dans la littérature comme proxy pour les progrès techniques. Nos résultats indiquent que l’amélioration de l’efficacité énergétique permet des économies annuelles en consommation de gaz naturel de 0,72 % pour le chauffage et 2,97 % pour les autres emplois. Les régions géographiques, les volumes de gaz naturel consommés et les cohortes de construction ont une incidence sur ces tendances en efficacité énergétique. La superficie des habitations a peu d’impact sur l’efficacité énergétique. Nous avons également détecté un ralentissement de la tendance en efficacité énergétique pour la consommation de chauffage. Depuis 2013, 0,53 % d’économies de gaz naturel sont réalisées annuellement par cette utilisation finale. En conclusion, nous recommandons l’utilisation de la méthode et des résultats pour l’utilisation finale du chauffage. Pour les autres utilisations finales, nous ne recommandons pas l’utilisation de la méthode et des résultats. La fiabilité de ces estimateurs est trop faible.

Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.

L'optimisation de l'exploitation d'un réseau de transport de gaz naturel (RTGN) est typiquement un problème d'optimisation multiobjectif, faisant intervenir notamment la minimisation de la consommation énergétique dans les stations de compression, la maximisation du rendement, etc. Cependant, très peu de travaux concernant l'optimisation multiobjectif des réseaux de gazoducs sont présentés dans la littérature. Ainsi, ce travail vise à fournir un cadre général de formulation et de résolution de problèmes d'optimisation multiobjectif liés aux RTGN. Dans la première partie de l'étude, le modèle du RTGN est présenté. Ensuite, diverses techniques d'optimisation multiobjectif appartenant aux deux grandes classes de méthodes par scalarisation, d'une part, et de procédures évolutionnaires, d'autre part, communément utilisées dans de nombreux domaines de l'ingénierie, sont détaillées. Sur la base d'une étude comparative menée sur deux exemples mathématiques et cinq problèmes de génie des procédés (incluant en particulier un RTGN), un algorithme génétique basé sur une variante de NSGA-II, qui surpasse les méthodes de scalarisation, de somme pondérée et d'ε-Contrainte, a été retenu pour résoudre un problème d'optimisation tricritère d'un RTGN. Tout d'abord un problème monocritère relatif à la minimisation de la consommation de fuel dans les stations de compression est résolu. Ensuite un problème bicritère, où la consommation de fuel doit être minimisée et la livraison de gaz aux points terminaux du réseau maximisée, est présenté ; l'ensemble des solutions non dominées est répresenté sur un front de Pareto. Enfin l'impact d'injection d'hydrogène dans le RTGN est analysé en introduisant un troisième critère : le pourcentage d'hydrogène injecté dans le réseau que l'on doit maximiser. Dans les deux cas multiobjectifs, des méthodes génériques d'aide à la décision multicritère sont mises en oeuvre pour déterminer les meilleures solutions parmi toutes celles déployées sur les fronts de Pareto. / The optimization of a natural gas transportation network (NGTN) is typically a multiobjective optimization problem, involving for instance energy consumption minimization at the compressor stations and gas delivery maximization. However, very few works concerning multiobjective optimization of gas pipelines networks are reported in the literature. Thereby, this work aims at providing a general framework of formulation and resolution of multiobjective optimization problems related to NGTN. In the first part of the study, the NGTN model is described. Then, various multiobjective optimization techniques belonging to two main classes, scalarization and evolutionary, commonly used for engineering purposes, are presented. From a comparative study performed on two mathematical examples and on five process engineering problems (including a NGTN), a variant of the multiobjective genetic algorithm NSGA-II outmatches the classical scalararization methods, Weighted-sum and ε-Constraint. So NSGA-II has been selected for performing the triobjective optimization of a NGTN. First, the monobjective problem related to the minimization of the fuel consumption in the compression stations is solved. Then a biojective problem, where the fuel consumption has to be minimized, and the gas mass flow delivery at end-points of the network maximized, is presented. The non dominated solutions are displayed in the form of a Pareto front. Finally, the study of the impact of hydrogen injection in the NGTN is carried out by introducing a third criterion, i.e., the percentage of injected hydrogen to be maximized. In the two multiobjective cases, generic Multiple Choice Decision Making tools are implemented to identify the best solution among the ones displayed of the Pareto fronts.