Thèse Instabilités Hydro-Chimio-Mécaniques Couplées dans les Géomatériaux Analyse Expérimentale à l'Échelle du Laboratoire des Phénomènes se Produisant Lors du Stockage Géologique du Co2 H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Centrale Nantes École doctorale : École doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes Laboratoire de recherche : INSTITUT DE RECHERCHE EN GÉNIE CIVIL ET MÉCANIQUE Direction de la thèse : Giulio SCIARRA ORCID 0000-0003-1116-2980 Date limite de candidature : 2026-05-31T00:00:00
Dans le cadre du stockage géologique, le CO est injecté sous forme liquide, mais il se transforme en fluide supercritique (scCO). Ayant une densité inférieure à celle de la saumure aqueuse qui sature initialement la roche réservoir, le scCO tend à la traverser, restant en contact permanent avec la saumure, et à s'accumuler sous la roche de couverture. Différentes zones au sein de l'aquifère, à différentes distances du puits d'injection, peuvent être identifiées. Ces zones sont affectées différemment par la concentration en scCO : une zone I, totalement saturée en scCO, à proximité immédiate du puits d'injection ; une zone II, caractérisée par la présence d'un mélange biphasique de CO sc et de saumure, avec un pH potentiellement tamponné ; une zone III, totalement saturée par une solution aqueuse acidifiée par le CO ; et une zone IV, non affectée par l'injection de CO. Dans les scénarios les plus défavorables, la solution stockée dans les zones I, II et III pourrait être significativement acidifiée par rapport aux caractéristiques quasi neutres de la saumure naturelle.

De nombreuses études ont porté sur la réponse de la roche réservoir à l'injection de CO. Cependant, les résultats concernant l'interaction directe entre la solution acidifiée stockée dans l'aquifère et la roche de couverture sont moins nombreux. Les scénarios suivants peuvent être considérés comme les plus représentatifs des interactions hydro-chimio-mécaniques entre la saumure acide et la roche de couverture : S1) La pression du CO supercritique au sommet du réservoir est inférieure à la pression d'entrée du gaz dans la roche de couverture. Par conséquent, le CO ne peut pas traverser la roche de couverture, mais les cations diffusent à travers celle-ci. Une altération géochimique des minéraux sensibles à l'attaque acide peut se produire en raison du déséquilibre chimique entre la saumure, qui sature la roche argileuse, et la solution acidifiée. S2) Un réseau de fractures/failles préexistantes, présentant une pression d'entrée du gaz inférieure à celle du scCO et une perméabilité intrinsèque supérieure à celle de la roche argileuse environnante (généralement de deux ordres de grandeur), servent de conduits pour la solution acidifiée. Dans ce cas, le CO supercritique ne pénètre pas directement dans la matrice rocheuse, mais traverse la roche de couverture par les fractures. S3) La pression du scCO au sommet du réservoir dépasse la pression d'entrée du gaz dans la matrice de la roche de couverture. Le CO traverse alors la roche de couverture et un processus de drainage se produit (un fluide non mouillant déplaçant un fluide mouillant).

La campagne expérimentale reposera initialement sur des essais oedométriques, réalisés lors d'une période de détachement à l'Université de Strathclyde (Royaume-Uni). Ces essais seront limités à des chargement unidimensionnel permettant l'injection d'un fluide non mouillant afin d'étudier l'effet de la dissolution de la calcite sur la condition de « breakthrough ». Les échantillons pour l'essai oedométrique seront préparés avec différentes compositions chimiques du fluide interstitiel, notamment en termes de pH (pour simuler l'acidification due au scCO) et de concentration en électrolytes (pour simuler une saumure à différentes concentrations salines). En faisant varier la contrainte de préconsolidation de l'oedomètre entre 1 et 10 MPa, on pourra simuler des microstructures ouvertes et fermées et ainsi établir une équivalence entre les conditions représentatives des essais de laboratoire qui seront menés lors de la seconde partie de la campagne expérimentale. Cette seconde partie reposera sur des essais biaxiaux, réalisés à l'aide de BIAX, un dispositif expérimental adapté déjà disponible au laboratoire GeM d'ECN. Ce dispositif sera modifié pour permettre l'utilisation de solutions acides, soit pour saturer, soit pour diffuser/injecter dans l'échantillon. BIAX est un appareil de chargement biaxial unique, qui garantit l'étanchéité de l'échantillon en le maintenant en contact direct avec deux fenêtres en saphir. Son système de contrôle permet de gérer indépendamment la pression du fluide en amont et en aval. Il a récemment permis d'identifier la formation de digitations dans un milieu granulaire lors du drainage.

BIAX (Appareil biaxial pour sols partiellement saturés)

https://research.ec-nantes.fr/fr/les-plateformes/geomecanique

Les objectifs de cette activité de recherche seront de reproduire à l'échelle du laboratoire les scénarios S1 et S3 susmentionnés, représentatifs des interactions entre la solution acide stockée dans la roche réservoir et la roche de couverture. À cette fin, des matériaux analogues seront conçus pour permettre la réalisation d'essais dans les limites de charge du BIAX (environ 1,5 MPa), représentatifs de la réponse de géomatériaux réels de type schisteux sous des conditions de chargement in situ (plusieurs centaines de MPa).

Le programme scientifique devra respecter la liste détaillée des tâches suivantes :

- développer la campagne expérimentale basée sur des essais oedométriques, pendant la période de détachement à l'Université de Strathclyde (Royaume-Uni) ;

- étalonner l'appareillage expérimental modernisé ;

- exploiter le protocole expérimental relatif à la campagne à mener en collaboration avec un chercheur postdoctoral (à recruter) afin d'étudier les scénarios susmentionnés à l'échelle du laboratoire ; une analyse paramétrique des conditions de chargement devra être prise en compte.

- participer à la mise à jour du logiciel de corrélation d'images numériques Ufreckles, actuellement utilisé au GeM, en corrélation directe avec BIAX, pour obtenir des mesures de champ quantitatives du déplacement causé par les différents régimes de transport de CO2 à travers l'échantillon et la dissolution des inclusions solides.