Thèse de doctorat - Approche par endommagement gradué pour la modélisation de zones fracturées dans le sous-sol

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

• l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
• la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Approche par endommagement gradué pour la modélisation de zones fracturées dans le sous-sol

Graded damage approach for modelling of fractured regions in subsurface

Description du poste de thèse

Le sujet de thèse s’inscrit dans le projet « Digital Earth » du PEPR (Programmes et équipements prioritaires de recherche) exploratoire « Sous-sol – Bien Commun » [1], qui regroupe Laboratoires universitaires et Centres de Recherche. Il a pour objectif l’amélioration de la connaissance de la physique des phénomènes couplés dans le sous-sol, et en particulier de la modélisation de la fracturation des roches. Le défi consiste à développer une plateforme Digital Earth unique qui donne accès à une connaissance quantitative commune du sous-sol sous la forme de compétences et d'un ensemble numérique associé de données, de modèles, d'outils et de flux de travail cohérents.

Dans ce contexte, la capture et la séquestration du CO₂ (CCS) est une partie importante de la stratégie qui vise à réduire l'impact des activités humaines sur les changements climatiques [2]. En particulier, la modélisation géomécanique des sites de stockage de CO₂ est l’outil incontournable pour la gestion des risques mécaniques associés au CCS, et notamment de leur intégrité, qui passe par une description de la fracturation diffuse des roches.

Exemple de modèle de réservoir utilisé pour la simulation géomécanique de l’injection de CO₂ dans le sous-sol. A) position du puits injecteur en proximité de l’anticlinal qui permet de piéger le CO₂ et géométrie des failles en proximité. B) exemple de champ de pression de CO₂ dans le réservoir après injection sur plusieurs années en présence de failles imperméables.

Une approche novatrice dite « endommagement gradué » a été développée pour décrire l’initiation et la propagation de défauts dans les matériaux quasi-fragiles sous sollicitations mécaniques [3]. Il s’agit d’une modélisation à gradient par front d’endommagement épais dans laquelle on introduit des conditions de type non-local en complément d’une loi de comportement locale. Dans le cadre de cette thèse, nous souhaitons étendre cette méthode à la description de l’endommagement des milieux poreux sous sollicitations hydromécaniques avec rétroaction progressive à la fois sur la perméabilité et sur les propriétés mécaniques des roches fracturées. La méthode sera implémentée dans Code_Aster [4], un code aux éléments finis libre sous licence GPL qui est utilisé actuellement à IFPEN dans les couplages thermo-hydro-mécaniques, avec une architecture parallèle adaptée au calcul haute performance. Le code sera utilisé pour une étude de screening CCS.

Ce travail de thèse, à la frontière entre les Sciences de la terre et la Mécanique, constituera une nette avancée dans le domaine de la modélisation multi-physique du sous-sol et contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes de fracturation dans les milieux naturels.

L’équipe d’encadrement

Les directeurs de thèse ont plusieurs années d’expérience dans la modélisation de l’endommagement et de la fracturation des matériaux par différentes approches numériques, parmi lesquelles l’approche dite « endommagement gradué » pour les matériaux quasi-fragiles sous sollicitations mécaniques utilisé comme point de départ dans les travaux de thèse.

Les encadrants IFPEN travaillent activement dans des projets de recherche autour du stockage de CO₂ pour la modélisation géomécanique de l’injection de CO₂ dans des réservoirs et pour la caractérisation des sites de stockage en phase de screening. Ils développent activement dans Code_Aster de nouvelles méthodes numériques pour la géomécanique au service des couplages thermo-hydro-mécaniques réalisés au sein d’IFPEN.

Mots clefs : Stockage CO₂, CCS, éléments finis, mécanique des milieux continus, géomécanique, fracturation, plasticité, endommagement, couplage hydromécanique, calcul haute performance, HPC.

Directeur de thèse: Dr Laurent CANGEMI, IFPEN, ORCID : 0000-0002-8400-0651
Co-Directeur de thèse: Pr. Nunziante VALOROSO, Université Naples, Italie, ORCID : 0000-0001-8830-1964
Ecole doctorale: ED579 - SCIENCES MÉCANIQUES ET ÉNERGÉTIQUES, MATÉRIAUX ET GÉOSCIENCES (SMEMAG), Université Paris-Saclay. SMEMAG

Encadrant IFPEN: Dr Daniele COLOMBO, ORCID : 0000-0001-7249-9486
Co-encadrant IFPEN: Dr Jérémy FREY, ORCID : 0000-0001-6302-0592

PhD open position

Application are invited for a full-time PhD position to work within the “Digital Earth” project of the PEPR (Programmes et Equipements Prioritaires de Recherche) exploratoire « Sous-sol – Bien Commun » [1], which brings together Universities and Research Centres with the end goal of improving current knowledge of the physics of coupled phenomena in the subsurface. Key target of the project is to develop a unique Digital Earth platform, thereby giving access to a common quantitative knowledge of the subsurface in the form of skills and an associated digital set of coherent data, models, tools, and workflows.

Within this context, carbon capture and sequestration (CCS) is an important part of the strategy aiming at reducing the impact of human activities on climate change [2]. Namely, geomechanical modelling of CO₂ storage sites is an invaluable tool for managing the mechanical risks associated with CCS and in particular, their long-term integrity, which in turn requires accounting for possible rock fracturing.

Example of reservoir model used for geomechanical simulations of CO₂ injection in subsurface. A) position of the injection well near the anticline where CO₂ is trapped and geometry of the nearby faults. B) example of the CO₂ pressure field in the reservoir after several years of injection assuming impermeable faults.

A novel approach named "Graded damage" that is able to describe initiation and propagation of defects in quasi-brittle materials under mechanical loading has been recently developed [3]. It consists of a gradient-based regularized model in which a local damage law is augmented via convex constraints of non-local type. The main purpose of the PhD thesis is to extend the graded damage framework to deal with damage of porous media under hydromechanical loads, with progressive feedback on both permeability and mechanical properties of the fractured rocks. The developed model and computational methods will be implemented in Code_Aster [4], a general-purpose finite element code with parallel architecture and HPC capabilities that is developed by Electricité de France (EDF), distributed under GPL licence and currently in use at IFPEN for thermo-hydro-mechanical couplings. The code will be used for CCS screening simulations.

This interdisciplinary project, at the crossroad of Earth Sciences and Mechanics, is expected to bring major advancements in the field of multi-physics modelling of the subsurface and to significantly contribute to the understanding of the mechanics of fracture in natural media.

Supervision

The academic supervisors do possess a plurennial experience in modelling of damage and fracture and related numerical methods. Worth mentioning is the so-called “Graded damage” concept, already applied successfully for the simulation of degradation in quasi-brittle materials, that will be the point of departure of the planned PhD work. On the other side, the IFPEN supervisors do contribute to international research projects on CO₂ storage on the geomechanical modelling of CO₂ injection in geological reservoirs and on the characterisation of CO₂ storage sites during the screening phase. They also develop actively in Code_Aster advanced numerical methods for geomechanics, which are incorporated in the thermo-hydro-mechanical coupled models currently in use at IFPEN.

Keywords: CO₂ storage, CCS, finite element method, solid mechanics, geomechanics, rock fracturing, plasticity, damage, hydromechanical coupling, high performance computing, HPC

Academic supervisor: Dr Laurent CANGEMI, IFPEN, ORCID : 0000-0002-8400-0651
Academic co-supervisor: Pr. Nunziante VALOROSO, Université Naples, Italie, ORCID : 0000-0001-8830-1964
Doctoral School: ED579 - SCIENCES MÉCANIQUES ET ÉNERGÉTIQUES, MATÉRIAUX ET GÉOSCIENCES (SMEMAG), Université Paris-Saclay. SMEMAG
IFPEN supervisor: Dr Daniele COLOMBO, ORCID : 0000-0001-7249-9486
IFPEN co-supervisor: Dr Jérémy FREY, ORCID : 0000-0001-6302-0592