Soutenance de thèse de Walid OKAYBI

Le transport colloïdal dans les milieux poreux joue un rôle central dans les systèmes souterrains, notamment pour les ressources en eau souterraine, l'énergie géothermique et le stockage souterrain d'énergie thermique. Les particules en suspension peuvent provenir de la formation poreuse ou être introduites par les fluides injectés. Leur transport et leur rétention dans l'espace poreux peuvent entraîner un colmatage, réduisant ainsi la perméabilité et l'injectivité. Dans les applications par injection, ces processus peuvent être accentués par les différences physico-chimiques et hydrodynamiques entre les conditions initiales et celles du milieu injecté. Cependant, les mécanismes de colmatage à l'échelle des pores restent mal compris dans les milieux poreux hétérogènes représentatifs des systèmes naturels, en raison de leur opacité qui limite l'observation directe des processus clés. Pour pallier cette limitation, ce travail combine des expériences microfluidiques en milieux poreux hétérogènes avec l'analyse d'images et des simulations d'écoulement à l'échelle des pores afin d'étudier et d'identifier les mécanismes régissant le dépôt de particules, le colmatage, la modification de l'écoulement et l'évolution de la perméabilité selon différents régimes de dépôt et sous diverses conditions physico-chimiques et hydrodynamiques. Les résultats montrent que le colmatage est un processus dépendant du régime et régi par des mécanismes distincts. En conditions adhésives, une nouvelle forme de colmatage progressif a été identifiée : des structures dendritiques se développent à partir d’un site de dépôt préférentiel unique et obstruent progressivement l’espace poreux. Ce mécanisme est contrôlé par les conditions d’écoulement locales, notamment par la taille des zones de stagnation par rapport au diamètre des particules. En conditions répulsives, le colmatage est principalement dû à la formation de ponts hydrodynamiques, où les particules forment des arches stables au niveau des rétrécissements des pores, entraînant une réduction progressive de la perméabilité, principalement contrôlée par la taille et la concentration des particules. L’écoulement oscillatoire n’atténue pas systématiquement le colmatage, mais induit une réponse dépendante du régime : il peut le retarder en conditions d’agrégation dominante, mais l’accélérer aux hautes fréquences en régime hydrodynamique. Globalement, ce travail apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes contrôlant le colmatage colloïdal et souligne la nécessité d’une approche adaptée au régime pour prédire et gérer la réduction de la perméabilité dans les systèmes souterrains réalistes.