Comportement hydromécanique de solutions de réparation et durabilité des milieux géologiques pour le stockage d'énergie // Hydromechanical behavior of repair solutions and durability of geological environments for energy storage

Le stockage souterrain d'énergie tels que l'hydrogène et le dioxyde de carbone constitue une solution stratégique pour accompagner la transition énergétique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, la mise en œuvre de ces stockages à grande échelle soulève des enjeux majeurs liés à l'intégrité et à la durabilité des infrastructures et des milieux géologiques hôtes. Les cycles répétés d'injection et de soutirage, combinés aux variations de pression, aux cycles hydriques et aux interactions physico-chimiques entre fluides et roches, induisent une évolution progressive des propriétés hydromécaniques des matériaux. Ces phénomènes peuvent se traduire par une dégradation de la résistance mécanique, une augmentation de la perméabilité, l'initiation de l'endommagement et l'apparition de venues de sable, compromettant la sûreté et la pérennité des ouvrages de stockage.

Par ailleurs, les solutions de réparation et de consolidation actuellement mises en œuvre pour remédier à ces dégradations reposent majoritairement sur des matériaux à fort impact environnemental et présentent des performances limitées à long terme. Dans ce contexte, le développement de solutions de réparation durables, bas carbone et adaptées aux conditions sévères du stockage souterrain constitue un enjeu scientifique et industriel majeur. Les matériaux géopolymères ou les alcalis activés, apparaissent comme une alternative prometteuse, offrant de bonnes propriétés mécaniques et hydrauliques, une durabilité accrue et une empreinte environnementale réduite.

Cette thèse a pour objectif principal d'évaluer et de caractériser le comportement hydromécanique de matériaux géologiques consolidés (ici de type grès), ainsi que de systèmes réparés ou renforcés par des solutions géopolymères, soumis à des cycles hydriques représentatifs des conditions de stockage de l'hydrogène et du CO₂. Une attention particulière sera portée à l'évolution des paramètres de résistance au cisaillement, décrits par le critère de Mohr-Coulomb (cohésion et angle de frottement interne), ainsi qu'à l'évolution de la perméabilité, considérée comme un paramètre clé pour la maîtrise des écoulements et la prévention des venues de sable.

L'approche expérimentale reposera sur des essais hydromécaniques réalisés en laboratoire, incluant des chargements cycliques et des conditions hydriques contrôlées. Des essais complémentaires pourront intégrer des environnements chimiques spécifiques, représentatifs des stockages d'hydrogène et de CO₂ (eaux enrichies, milieux réactifs), afin d'évaluer les mécanismes de dégradation chimio-mécanique et leur impact sur les performances à long terme des matériaux et des solutions géopolymères. Ces travaux permettront d'identifier les paramètres clés qui influent sur les propriétés mécaniques et hydrauliques sous sollicitations complexes.

En complément de l'approche expérimentale, la thèse intégrera un volet de modélisation numérique avancée. Les méthodes en milieux discrets, telles que la péridynamique et la MPM (material point method), seront enrichies and étendues au couplage hydromécanique en milieux poreux, afin de décrire efficacement les processus de fissuration et de dégradation conduisant aux venues de sable. Les modèles développés seront calibrés et validés à partir des résultats expérimentaux, avec pour objectif de proposer des outils de prédiction capables d'anticiper le comportement à long terme des matériaux consolidés et réparés.

Les résultats attendus contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes hydromécaniques et chimio-mécaniques à l'origine de la dégradation des stockages souterrains. Ils permettront également de proposer des solutions de réparation durables et innovantes, basées sur l'utilisation de géopolymères, contribuant à la sécurisation, à la durabilité et à l'acceptabilité environnementale des infrastructures de stockage souterrain d'énergie.
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Underground storage of energy sources such as hydrogen and carbon dioxide is a strategic solution to support the energy transition and reduce greenhouse gas emissions. However, the implementation of large-scale storage facilities raises major challenges related to the integrity and sustainability of the infrastructure and host geological environments. Repeated cycles of injection and withdrawal, combined with pressure variations, water cycles, and physicochemical interactions between fluids and rocks, cause a gradual change in the hydromechanical properties of materials. These phenomena can result in a deterioration of mechanical strength, an increase in permeability, the initiation of damage, and the appearance of sand ingress, compromising the safety and durability of storage facilities.

Furthermore, the repair and consolidation solutions currently used to remedy this deterioration are mainly based on materials with a high environmental impact and offer limited long-term performance. In this context, the development of sustainable, low-carbon repair solutions adapted to the harsh conditions of underground storage is a major scientific and industrial challenge. Geopolymer materials or activated alkalis appear to be a promising alternative, offering good mechanical and hydraulic properties, increased durability, and a reduced environmental footprint.

The main objective of this thesis is to evaluate and characterize the hydromechanical behavior of consolidated geological materials (in this case, sandstone), as well as systems repaired or reinforced with geopolymer solutions, subjected to water cycles representative of hydrogen and CO₂ storage conditions. Particular attention will be paid to changes in shear strength parameters, described by the Mohr-Coulomb criterion (cohesion and internal friction angle), as well as changes in permeability, considered a key parameter for controlling flows and preventing sand ingress.

The experimental approach will be based on hydromechanical tests carried out in the laboratory, including cyclic loading and controlled water conditions. Additional tests may incorporate specific chemical environments representative of hydrogen and CO₂ storage (enriched waters, reactive environments) in order to evaluate chemomechanical degradation mechanisms and their impact on the long-term performance of materials and geopolymer solutions. This work will identify the key parameters that influence mechanical and hydraulic properties under complex stresses.

In addition to the experimental approach, the thesis will include an advanced numerical modeling component. Discrete methods, such as peridynamics and the material point method (MPM), will be enriched and extended to hydromechanical coupling in porous media in order to effectively describe the cracking and degradation processes leading to sand ingress. The models developed will be calibrated and validated using experimental results, with the aim of proposing prediction tools capable of anticipating the long-term behavior of consolidated and repaired materials.

The expected results will contribute to a better understanding of the hydromechanical and chemomechanical mechanisms responsible for the degradation of underground storage facilities. They will also enable the development of sustainable and innovative repair solutions based on the use of geopolymers, contributing to the safety, sustainability, and environmental acceptability of underground energy storage infrastructure.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Titulaire d'un master ou d'un diplôme d'ingénieur; forte motivation par une thèse de doctorat; bases solides en mécanique des matériaux solides et méthodes numériques; forte motivation pour expériences en laboratoire
Master's degree or engineering degree; strong motivation to pursue a doctoral thesis; solid foundation in solid mechanics and numerical methods; strong motivation for laboratory experiments.