Thèse Intégrité des Puits pour le Stockage Géologique du Co Rôles des Interfaces et des Couplages Multiphysiques H/F - 50

Établissement : École nationale des ponts et chaussées
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : NAVIER
Direction de la thèse : Siavash GHABEZLOO ORCID 0000000324312116
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-01T23:59:59

L'injection de CO à très basse température, rendue nécessaire par son transport cryogénique en navire, crée dans les puits géologiques des gradients thermiques extrêmes susceptibles de compromettre leur intégrité. Ces sollicitations affectent particulièrement la gaine de ciment et ses interfaces avec le tubage et la formation, zones où se concentrent fissuration, décollement et pertes d'étanchéité. La compréhension et la prédiction de ces mécanismes nécessitent de connaître l'état initial de contrainte dans la gaine de ciment - un paramètre crucial mais encore mal maîtrisé, car il dépend à la fois de l'histoire du ciment depuis son placement et du comportement mécanique des interfaces.

Depuis près de vingt ans, le laboratoire Navier développe un cadre de modélisation avancé du ciment pétrolier, fondé sur la mécanique des milieux poreux multiphasiques et intégrant hydratation, retrait, plasticité non linéaire et couplages thermohydromécaniques. Implémenté dans les plateformes open-source MFront et FEniCSx, ce cadre permet de simuler l'évolution du matériau de l'état fluide jusqu'à son durcissement, en tenant compte des conditions thermiques et des pressions rencontrées dans les puits profonds. Cependant, l'évaluation complète de l'état de contrainte dans la gaine ne peut être atteinte sans une caractérisation robuste des interfaces ciment/tubage et ciment/roche. Ces interfaces contrôlent la capacité du ciment à transférer ou relâcher les contraintes, influençant directement les contraintes résiduelles avant toute injection. Leur comportement doit être décrit par des lois cohésives capables de représenter glissement, endommagement et décollement progressif.

La thèse proposera une approche intégrée combinant modélisation constitutive, expérimentations dédiées et simulations numériques. Un dispositif expérimental original, composé de deux tubes concentriques formant un modèle physique de puits instrumenté (contraintes radiales et axiales, pressions, vitesses d'onde), permettra de suivre l'évolution de la gaine lors de l'hydratation et sous chargements thermiques et mécaniques contrôlés. Des essais complémentaires sur assemblages ciment/roche et ciment/métal serviront à identifier la rigidité, la résistance et les critères de rupture des interfaces. Les lois d'interface obtenues seront ensuite implémentées dans MFront et couplées au modèle de comportement du ciment dans FEniCSx afin de simuler des scénarios représentatifs d'injection de CO froid, incluant cycles thermiques rapides, variations de pression et gradients de température importants.

En combinant ces avancées, la thèse permettra : (i) d'établir un état initial de contrainte fiable dans une gaine de ciment de puits profond ; (ii) de fournir un jeu complet de lois constitutives pour le ciment et ses interfaces ; (iii) de proposer un cadre numérique robuste pour l'analyse de l'intégrité des puits soumis à l'injection de CO froid ; (iv) de formuler des recommandations sur la conception des puits, les matériaux à privilégier et les conditions d'injection permettant de limiter les risques de dégradation.

Dans la transition énergétique, le captage et stockage du CO (CCS) constitue un levier majeur pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En Europe, les projets privilégient le stockage offshore, ce qui rend attractif le transport du CO par navire. Cette solution présente une grande flexibilité mais impose un CO liquide extrêmement froid ( -53 °C). Injecter un CO aussi froid dans un puits dont l'environnement géologique se situe entre 70 °C et 200 °C génère des gradients thermiques extrêmes. De tels contrastes thermiques peuvent induire des variations rapides de contraintes, des changements de pression interstitielle, ainsi que la fissuration ou le décollement de la gaine de ciment, fragilisant ainsi l'intégrité du puits. La problématique est d'autant plus complexe que l'état initial de contrainte dans la gaine de ciment, pourtant déterminant pour la résistance aux cycles thermiques, est encore mal connu.

La thèse vise à comprendre, quantifier et prédire les mécanismes susceptibles de compromettre l'intégrité d'un puits lors de l'injection de CO froid. Les travaux porteront notamment sur l'état initial des contraintes, les effets thermiques et hydromécaniques transitoires, les risques de fissuration et de décollement des interfaces, ainsi que les pistes d'amélioration pour la conception de puits plus résilients.

Expérimentale, numérique