Abstract :
[fr] Le thème général de cette thèse porte sur le comportement des sols et des roches tendres partiellement saturés. Cette condition de saturation partielle entraîne une complexification du comportement et une augmentation des couplages entre les différents phénomènes existants. Nous avons travaillé sur deux applications différentes qui présentent en fait beaucoup de similitudes. Ce travail s'est effectué principalement dans le code aux éléments finis LAGAMINE.
Le premier domaine d'étude concerne le stockage de déchets nucléaires de haute activité. Pour ces derniers, le concept de dépôts dans des couches géologiques profondes a été développé afin de protéger les êtres humains et leur environnement des effets néfastes de la radioactivité. L'idée est de construire un système de galeries dans lesquelles seront placés les déchets vitrifiés ; une barrière d'étanchéité ouvragée (généralement des blocs d'argile compactée) remplira le reste de la galerie et assurera un complément à une barrière géologique naturelle.
Pour dimensionner ce système complexe, il est nécessaire de bien connaître les caractéristiques hydrogéologiques, thermiques, mécaniques, chimiques et biologiques, ainsi que de comprendre les processus couplés qui ne manqueront pas de s'y développer. C'est la raison pour laquelle se sont créés des URL (Underground Research Laboratories) dans les couches géologiques potentielles, comme le SCK-CEN à Mol.
Les modèles numériques viennent en complément des études expérimentales réalisées dans ces laboratoires et aident à la compréhension des mesures effectuées. En effet, le comportement de la barrière d'étanchéité est très complexe, impliquant des phénomènes thermo-hydro-mécaniques prenant place durant l'échauffement (les déchets dégagent toujours une certaine quantité d'énergie) et l'hydratation (par la formation hôte) de la barrière argileuse ouvragée.
Dans ce cadre, nous avons développé un modèle d'écoulement multiphasique avec changement de phase ; il permet d'étudier les transferts hydriques et de chaleur se produisant dans la zone proche de la galerie. Les couplages sont nombreux : les variations de température influencent les propriétés des fluides, ces derniers transportent de la chaleur lors de leur déplacement (flux convectifs), ces conditions de saturation partielle (liées à la succion) induisent également des modifications du comportement mécanique de l'argile. Enfin, dans ces milieux très peu perméables, la prise en compte des transferts hydriques en phase vapeur est primordiale. Ces développements ont été réalisés dans le cadre du projet européen CATSIUS CLAY, ce qui nous a permis une comparaison avec d'autres codes de calculs et la validation de notre travail.
Le deuxième domaine d'étude est la subsidence des réservoirs pétroliers de mer du Nord. En effet, certains réservoirs se situent dans des couches de craie à plusieurs milliers de mètres sous le niveau de la mer et ils sont exploités à partir d'installations off-shores. La production du pétrole induit une déplétion du réservoir qui s'accompagne d'une compaction ; cette dernière se répercute jusqu'au fond marin et cela met en danger les stations off-shores. La solution actuellement mise en œuvre est l'injection d'eau dans le réservoir afin de le repressuriser et de diminuer ainsi la compaction. Malheureusement, cela a provoqué dans ces formations crayeuses un tassement supplémentaire ! Toutefois, celui-ci n'a pas que des aspects négatifs ; la compaction additionnelle permet une récupération secondaire du pétrole, qui n'aurait pu être obtenue autrement sinon. Il est donc très intéressant de pouvoir contrôler le tassement des couches réservoir.
Dans le cadre des projets européens PASACHALK, nous avons développé une loi constitutive élastoplastique suivant l'idée que la sensibilité à l'eau d'une craie initialement saturée d'huile est reliée à l'effet de la succion. Cette dernière comprend des effets purement capillaires mais d'autres également (osmotiques par exemple). Nous avons donc construit un modèle multimécanisme avec influence de la succion, en utilisant les outils et concepts développés en mécanique des sols non-saturés (l'argile notamment). On voit dès lors que les modèles de l'argile de scellement et ceux de la craie de réservoir présentent de nombreuses similitudes !
Cette recherche a été facilitée par le fait qu'une craie, similaire à celles des réservoirs de Mer du Nord, affleure dans notre pays ; on l'exploite notamment dans la carrière de Lixhe, en région liégeoise. Cette craie possède les mêmes caractéristiques et propriétés que celles des formations du réservoir. La seule différence réside dans le fait qu'il n'y a jamais eu de pétrole dans ses pores !
L'analyse de l'ensemble des expérimentations réalisées sur ce matériau, nous a permis de mettre en évidence les caractéristiques du comportement de la craie de manière à calibrer notre loi. Enfin, des essais d'injection dans des échantillons nous fournissent un moyen de validation de nos modèles. Ainsi, nous avons réalisé des simulations à l'échelle du réservoir qui ont confirmé que la variation de succion est bien une explication de certaines compactions dans les réservoirs pétroliers.
