Etude expérimentale de l’impact des sollicitations thermo-mécaniques sur la perméabilité au gaz du sel

Contexte et motivations de la thèse

Le stockage massif d’hydrogène est un levier clé de la transition énergétique pour compenser l’intermittence des énergies renouvelables. Parmi les solutions envisagées, le stockage géologique en cavités salines profondes apparaît comme l’option la plus mature grâce aux propriétés exceptionnelles du sel gemme : très faible perméabilité, faible porosité et comportement viscoplastique du sel favorisant les mécanismes d’auto-guérison par fluage et recristallisation. Si ces cavités sont déjà exploitées pour le stockage de gaz naturel, l’hydrogène introduit de nouvelles contraintes liées à des cycles d’injection/soutirage plus fréquents, potentiellement journaliers. Ces sollicitations thermo-mécaniques cycliques peuvent générer de l’endommagement dans le sel (microfissuration, zones endommagées), susceptible de modifier les propriétés de transport et d’ouvrir des chemins de fuite pour le gaz. Cependant, le sel présente une particularité majeure : sa capacité d’auto-guérison, pouvant restaurer partiellement son étanchéité. L’interaction entre endommagement, évolution de la perméabilité et cicatrisation reste encore très mal maîtrisée dans des conditions représentatives du stockage d’hydrogène. Les principaux verrous concernent donc:

i) l’impact de la fatigue thermo-mécanique (en conditions dynamique et statique) sur la perméabilité au gaz du sel,

ii) les mécanismes d’auto-guérison et leur efficacité sous fatigue, et

iii) la modélisation constitutive de ces mécanismes d’auto-guérison.

METHODOLOGIE

La thèse repose sur une approche expérimentale couplée thermo-mécanique et le développement d’un modèle constitutif.

Dans un premier temps, une phase de conditionnement sera dédiée à la réduction de l’état d’endommagement initial des éprouvettes, en favorisant les mécanismes d’auto-guérison sous contraintes et température contrôlées.  L’impact de la fatigue thermique et mécanique sur l’endommagement et la perméabilité au gaz du sel sera étudié en cellule de compression triaxiale en appliquant des chemins de chargement thermo-mécaniques sur des éprouvettes cylindriques de sel (de grandes dimensions en raison de la granulométrie grossière du sel). Les températures et contraintes déviatoriques élevées appliquées sont représentatives des conditions in situ et des scénarios d’exploitation des cavités de stockage. Pendant ces essais, les déformations et la perméabilité au gaz (avec prise en compte de l’effet Klinkenberg) seront mesurées en continu. L’endommagement et les modifications microstructurales seront caractérisées par Tomographie 3D aux rayons X. Enfin, les résultats alimenteront le développement d’un modèle thermo-mécanique couplé intégrant endommagement, auto-guérison et évolution de la perméabilité, avec validation directe sur les données expérimentales.

L’UMR 7359 GeoRessources regroupe la plupart des forces en Géologie appliquée de Nancy issues des sections 35, 36 et 60 de la CNU et des sections 18 et 30 du CNRS. GeoRessources est un laboratoire de l’Université de Lorraine et de l’INSU CNRS, avec un rattachement secondaire à l’INSIS CNRS. Les effectifs en personnel permanent dépassent la centaine (44 ITA/IATOS, 60 EC/C), pour un effectif total voisin de 180 personnes.

L’UMR GeoRessources se décline en 3 axes de recherche (Géomodèles, Matières Premières, GéoSystèmes).

L’axe GéoModèles regroupe 2 équipes thématiques intitulées « Géologie Numérique Intégrative » et « Hydrogéomécanique multi-échelles ».

L’axe Matières Premières est composé de 3 équipes thématiques sur les « Ressources carbonées », les « Ressources minérales » et la « Valorisation des ressources et des résidus ».

Enfin l’axe GéoSystèmes, relatif à l’usage anthropique des environnements géologiques, est décliné en 2 équipes thématiques sur les « Stockages géologiques et la géothermie» et sur les « Géomatériaux, Ouvrages et Risques ».

L’UMR GeoRessources est membre de l’OSU OTELo, de l’Institut Carnot ICEEL, du Labex Ressources21 et de l’IEED GéoDénergies. Son personnel enseignant se compose de 20 enseignants-chercheurs de l’ENSG, 10 enseignants-chercheurs de Mines Nancy, 17 enseignants-chercheurs du Département Géosciences, 3 enseignants-chercheurs rattachés à 3 autres cursus.

 

Base solide en mécanique des milieux continus, mécanique des roches, transferts en milieux poreux, physique des roches, modélisation numérique. Des connaissances en géomatériaux seront appréciées. Le goût et intérêt pour les expérimentations en laboratoire sont indispensables. Motivation et esprit d’initiative, capacité de travailler en équipe.