Soutenance de thèse de Laurez MAYA FOGOUANG

Lors de l'exploitation de ressources renouvelables, telles que l'énergie géothermique, l'injection de fluides dans le sous-sol au travers de puits d'injections peut impacter drastiquement la perméabilité du milieu poreux au voisinage des puits d'injections. Les particules fines suspendues chargées (colloïdes), qu'elles soient initialement présentes dans les fluides injectés ou qu'elles soient détachées de la matrice poreuse par le gradient de pression de l'écoulement, vont être transportées, s'agréger, se déposer irréversiblement ou non, et/ou conduire au colmatage des pores. La conséquence de ce colmatage des pores (filtration, pontage ou agrégation de particules) sur la perméabilité conduit à une diminution drastique de l'injectivité dans les puits pouvant entraîner leur abandon. L'étude des phénomènes de colmatage est clé pour mieux contrôler l'injectivé et proposer des solutions de décolmatage efficace afin de maintenir l'exploitation des puits. Ainsi l'enjeu est porté sur la connaissance de l'évolution de la perméabilité d'un milieu poreux, lors de l'injection d'une suspension en son sein, afin de prédire la chute d'injectivité et d'optimiser des processus d'injections à travers des modèles numériques. A l'échelle des sites d'exploitation (macroscopique), les approches classiques pour modéliser le transport particulaire et le colmatage reposent sur des paramètres heuristiques et des hypothèses restrictives qui limitent leurs capacités prédictives. Notamment, la prise en compte des effets électrochimiques sur la déposition, l'agrégation et le détachement de particule ainsi que leur rétroaction sur l'écoulement est perfectible. Dans cette thèse, il est donc question d'apporter une solution quant à modélisation du transport colloïdales dans les milieux poreux de la taille de carottes de quelques centimètres. La stratégie adoptée est basée sur une approche de modélisation en cascade d'échelles spatio-temporelles du milieu poreux. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux échelles microscopiques (échelle moléculaire, du pore, et du réseau de pores) où les interfaces particule-fluide et fluide-matrice, sièges des phénomènes hydromécaniques et électrochimiques conduisant les mécanismes de colmatage, sont bien décrites. Nous avons développé et validé une nouvelle approche numérique pour simuler le transport colloïdal à l'échelle du pore. Elle s'appuie sur une méthode Euler-Lagrange du type CFD-DEM où le fluide est décrit par une phase continue et le transport des particules est représenté par une phase discrète (suivi individuel). En particulier, notre approche s'affranchit des limitations classiques sur la taille des cellules de calcul par rapport à la taille des particules. Le modèle développé nous sert de socle pour étudier la prépondérance des grandeurs physico-chimiques sur le colmatage (vitesse d'infiltration, concentration des particules, pH et salinité de la solution, taille des pores et des particules, etc...). Dans un second temps et dans une logique de remontée en échelle, nous ne considérons les particules non plus comme des éléments discrets mais comme un champ de concentration. Pour ce faire, nous revisitons la théorie de la déposition des colloïdes autour d'un cylindre afin de déterminer analytiquement des lois macroscopiques de cinétique de déposition. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour simuler la rétention de particules dans le milieu poreux. Il capture les trois principaux mécanismes de colmatage (exclusion de taille, formation d'arche, et agrégation). Il permet de déterminer des relations porosité-perméabilités et de la cinétique de rétention en fonction des régimes d'écoulement, de la chimie de la solution et des propriétés de la suspension représentés par des nombres adimensionnés adéquats. Les avancés apportées par ces travaux améliorent la compréhension des mécanismes de colmatage et guident le développement de modèles à plus larges échelles.