Thèse Formation Transport et Stabilité des Gels en Milieux Poreux. Applications en Géothermie et Extraction de Lithium pour les Réservoirs Très Hétérogènes ou Fracturés H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Université Paris-Est Créteil École doctorale : SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement Laboratoire de recherche : ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est Direction de la thèse : Clemence LE COEUR ORCID 0000000150721066 Début de la thèse : 2026-11-02 Date limite de candidature : 2026-09-26T23:59:59 Les systèmes géothermiques reposant sur des doublets de puits, notamment les Enhanced Geothermal Systems (EGS) couplant production de chaleur et extraction de lithium, peuvent voir leur efficacité fortement réduite par des « courts-circuits » hydrauliques. Ceux-ci résultent d'écoulements préférentiels dans des zones très perméables ou des fractures de grande ouverture, limitant le transfert thermique et, dans les EGS, l'enrichissement de l'eau en lithium. Des phénomènes similaires peuvent affecter les systèmes géothermiques sur aquifères et les dispositifs de stockage thermique (ATES).
Une stratégie de remédiation consiste à s'inspirer des techniques de Conformance Control développées dans l'industrie pétrolière, reposant notamment sur l'injection d'hydrogels afin de réduire sélectivement la perméabilité des chemins préférentiels. Leur transposition à la géothermie reste cependant difficile en raison des températures élevées (jusqu'à plus de 250 °C) et des forts gradients thermiques. Le gel doit rester suffisamment fluide lors de l'injection pour pénétrer profondément dans le réservoir, puis gélifier rapidement dans la zone ciblée sans provoquer de colmatage prématuré du puits injecteur. Les travaux existants reposent principalement sur l'adaptation empirique de formulations issues du domaine pétrolier ; les mécanismes reliant formulation, conditions thermodynamiques, structure du gel et efficacité de colmatage restent peu compris.
Cette thèse vise à étudier de manière fondamentale la formation, le transport et la stabilité à long terme de gels dans des conditions représentatives de la géothermie profonde, tout en privilégiant des formulations potentiellement industrialisables. L'objectif est d'établir les relations entre composition chimique, transition sol-gel, structure microscopique, propriétés mécaniques et comportement en milieu poreux ou fracturé.
La stratégie reposera sur une approche multi-échelle, de la structure nanométrique des gels jusqu'à leur comportement dans des fractures macroscopiques. Après une étude bibliographique permettant de définir les conditions représentatives de cas d'application réels, différentes familles de gels seront étudiées : gels de polymères réticulés, gels de silices colloïdales et gels à base d'argiles. Leur cinétique de gélification, leurs propriétés mécaniques et leur stabilité seront caractérisées par rhéologie et corrélées à leur structure nanométrique par SAXS et SANS, avec la possibilité d'expériences couplées rhéo-SAXS/rhéo-SANS.
Les formulations sélectionnées seront ensuite étudiées à haute température et sous pression, notamment à l'aide de cellules de diffusion développées au LLB. Des essais de vieillissement en conditions confinées et anaérobies permettront d'évaluer leur stabilité à long terme et les phénomènes de synérèse.
Enfin, les gels les plus prometteurs seront injectés dans des carottes de roches fracturées de manière contrôlée. Leur propagation, leur capacité de colmatage et leur résistance à la pression seront évaluées afin de relier les propriétés des gels, celles des roches et les conditions d'injection. Des techniques d'imagerie X et neutronique pourront compléter ces expériences pour suivre la distribution du gel et la circulation de l'eau. Ces résultats permettront d'établir des critères rationnels de formulation et d'injection pour la remédiation des courts-circuits dans les réservoirs géothermiques. Cette thèse, réalisée à IFPEN, s'inscrit dans le développement de solutions pour la géothermie profonde et l'extraction de lithium. Dans les réservoirs très hétérogènes ou fracturés, les écoulements préférentiels peuvent créer des courts-circuits hydrauliques, réduisant le transfert thermique et l'enrichissement du fluide en lithium. L'injection de gels constitue une voie prometteuse pour contrôler ces écoulements, mais leur formation, leur transport et leur stabilité dans les conditions de température, pression et confinement des réservoirs restent encore mal compris. Comprendre et contrôler la formation, le transport et la stabilité de gels en milieux poreux et fracturés, afin de limiter les écoulements préférentiels dans les réservoirs géothermiques et d'améliorer l'efficacité du transfert thermique et de l'extraction du lithium. Une approche multi-échelle sera mise en oeuvre, de la structure nanométrique des gels à leur comportement dans des roches fracturées. Les formulations seront caractérisées par rhéologie et diffusion de rayonnement (SAXS/SANS), notamment à haute température et sous pression. Leur stabilité à long terme sera étudiée en conditions représentatives des réservoirs, puis les formulations sélectionnées seront testées par injection dans des carottes de roches fracturées afin d'évaluer leur propagation et leur efficacité de colmatage.
Une stratégie de remédiation consiste à s'inspirer des techniques de Conformance Control développées dans l'industrie pétrolière, reposant notamment sur l'injection d'hydrogels afin de réduire sélectivement la perméabilité des chemins préférentiels. Leur transposition à la géothermie reste cependant difficile en raison des températures élevées (jusqu'à plus de 250 °C) et des forts gradients thermiques. Le gel doit rester suffisamment fluide lors de l'injection pour pénétrer profondément dans le réservoir, puis gélifier rapidement dans la zone ciblée sans provoquer de colmatage prématuré du puits injecteur. Les travaux existants reposent principalement sur l'adaptation empirique de formulations issues du domaine pétrolier ; les mécanismes reliant formulation, conditions thermodynamiques, structure du gel et efficacité de colmatage restent peu compris.
Cette thèse vise à étudier de manière fondamentale la formation, le transport et la stabilité à long terme de gels dans des conditions représentatives de la géothermie profonde, tout en privilégiant des formulations potentiellement industrialisables. L'objectif est d'établir les relations entre composition chimique, transition sol-gel, structure microscopique, propriétés mécaniques et comportement en milieu poreux ou fracturé.
La stratégie reposera sur une approche multi-échelle, de la structure nanométrique des gels jusqu'à leur comportement dans des fractures macroscopiques. Après une étude bibliographique permettant de définir les conditions représentatives de cas d'application réels, différentes familles de gels seront étudiées : gels de polymères réticulés, gels de silices colloïdales et gels à base d'argiles. Leur cinétique de gélification, leurs propriétés mécaniques et leur stabilité seront caractérisées par rhéologie et corrélées à leur structure nanométrique par SAXS et SANS, avec la possibilité d'expériences couplées rhéo-SAXS/rhéo-SANS.
Les formulations sélectionnées seront ensuite étudiées à haute température et sous pression, notamment à l'aide de cellules de diffusion développées au LLB. Des essais de vieillissement en conditions confinées et anaérobies permettront d'évaluer leur stabilité à long terme et les phénomènes de synérèse.
Enfin, les gels les plus prometteurs seront injectés dans des carottes de roches fracturées de manière contrôlée. Leur propagation, leur capacité de colmatage et leur résistance à la pression seront évaluées afin de relier les propriétés des gels, celles des roches et les conditions d'injection. Des techniques d'imagerie X et neutronique pourront compléter ces expériences pour suivre la distribution du gel et la circulation de l'eau. Ces résultats permettront d'établir des critères rationnels de formulation et d'injection pour la remédiation des courts-circuits dans les réservoirs géothermiques. Cette thèse, réalisée à IFPEN, s'inscrit dans le développement de solutions pour la géothermie profonde et l'extraction de lithium. Dans les réservoirs très hétérogènes ou fracturés, les écoulements préférentiels peuvent créer des courts-circuits hydrauliques, réduisant le transfert thermique et l'enrichissement du fluide en lithium. L'injection de gels constitue une voie prometteuse pour contrôler ces écoulements, mais leur formation, leur transport et leur stabilité dans les conditions de température, pression et confinement des réservoirs restent encore mal compris. Comprendre et contrôler la formation, le transport et la stabilité de gels en milieux poreux et fracturés, afin de limiter les écoulements préférentiels dans les réservoirs géothermiques et d'améliorer l'efficacité du transfert thermique et de l'extraction du lithium. Une approche multi-échelle sera mise en oeuvre, de la structure nanométrique des gels à leur comportement dans des roches fracturées. Les formulations seront caractérisées par rhéologie et diffusion de rayonnement (SAXS/SANS), notamment à haute température et sous pression. Leur stabilité à long terme sera étudiée en conditions représentatives des réservoirs, puis les formulations sélectionnées seront testées par injection dans des carottes de roches fracturées afin d'évaluer leur propagation et leur efficacité de colmatage.
Le profil recherché
Formation de niveau Master 2 ou diplôme d'ingénieur en physico-chimie, science des matériaux ou génie des procédés. De bonnes bases en physico-chimie des polymères et/ou des systèmes colloïdaux et en rhéologie sont recherchées. Le ou la candidate devra avoir un goût prononcé pour l'expérimentation, l'analyse quantitative des résultats et le travail à l'interface entre recherche fondamentale et applications.