Maillages polyédriques anisotropes pour la simulation de stockage géologique de CO2

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. Depuis les concepts scientifiques en recherche fondamentale jusqu’aux solutions technologiques en recherche appliquée, l’innovation est au cœur de son action, articulée autour de quatre orientations stratégiques : climat, environnement et économie circulaire ; énergies renouvelables ; mobilité durable ; 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 et industriels de l’énergie et du climat, au service de la transition écologique. Partie intégrante d’IFPEN, IFP School, son école d’ingénieurs, prépare les générations futures à relever ces défis.

Maillages polyédriques anisotropes pour la simulation de stockage géologique de CO2

Pour parvenir à la neutralité carbone, dans la plupart des scénarios considérés, le GIEC estime incontournable de mettre en oeuvre le stockage géologique du CO2 (GCS). Afin d’étendre nos capacités de stockage de manière importante, le GCS doit faire face à de nouveaux défis en termes de complexité des structures géologiques, de simulation des processus physiques et d’échelles de temps.

Les maillages utilisés pour les simulations de stockage sont cruciaux. En effet, les maillages réservoirs structurés classiques limitent la complexité des modèles géologiques que l’on peut représenter, et donc les sites de stockage candidats. De leur côté, si les maillages simpliciaux peuvent permettre de représenter des domaines complexes, leur taille les rend prohibitifs en temps de calcul et leur qualité parfois très contrainte limite la stabilité numérique des simulateurs. En raison de l’émergence de nouveaux schémas numériques qui s’appuient sur des maillages généraux, les maillages polyédriques deviennent de bons candidats pour adresser ces problématiques.

En particulier, les diagrammes de Voronoï – et leurs généralisations – forment une classe de maillages polyédriques que l’on peut générer en prenant en compte la forte anisotropie du sous-sol. C’est un avantage important pour limiter le nombre de cellules tout en améliorant la précision et les performances des simulateurs. En revanche, ce sont des pavages infinis de l’espace qui, en pratique, s’accommodent mal de contraintes surfaciques. Or, les horizons et les failles du modèle géologique doivent apparaitre dans le maillage support de la simulation, car elles modélisent un changement de milieu et donc de propriétés. Les failles sont généralement un passage privilégié des écoulements, alors que les horizons qui marquent la séparation entre des milieux poreux et imperméables forment une composante essentielle des pièges stratigraphiques recherchés.

La génération de maillages polyédriques anisotropes conformes à des surfaces internes au volume d’intérêt reste donc un problème ouvert. Si plusieurs approches pour parvenir à représenter ces surfaces ont été proposées dans la littérature, elles restent à être confrontées à la réalité des modèles géologiques et aux algorithmes de génération de maillages Voronoï anisotropes.

De tels travaux se situent à la confluence entre de nombreux domaine : analyse (modélisation des diagrammes de Voronoï anisotropes, de la conformité), optimisation, informatique (la génération de maillages est un enjeu de calcul numérique exigeant, les codes de calculs en C++ doivent donc être développés de manière précise).

Objectifs

Dans leur projet de solution comparative (CSP), la SPE entend comparer les résultats de simulations des participants avec plusieurs expérimentations en laboratoire qui portent sur l’injection d’une solution riche en CO2 et sa dissolution dans un milieu hétérogène et faillé, représentatif du sous-sol du plateau continental norvégien (voir Figure 2). Dans ce but, le CSP propose trois versions du modèle, dont un volumique.

L’objectif du stage est de s’appuyer sur l’état de l’art de la conformité aux surfaces des maillages Voronoï pour proposer des algorithmes de génération de maillages anisotropes conformes. Le stagiaire s’appliquera à démontrer la pertinence et la robustesse de ses approches sur le cas volumique proposé par le CSP. Les maillages produits pourront faire l’objet d’une communication et être publiés afin de permettre à la communauté de chercheurs de les utiliser et de les comparer aux maillages structurés ou simpliciaux déjà disponibles.

Le stage sera réalisé dans les locaux d’IFPEN à Rueil-Malmaison. Un candidat motivé pourra se voir proposer de poursuivre le sujet par une thèse prévue pour démarrer en 2025 dans le cadre du PEPR Sous-sol.

Profil

Le candidat devra :

• posséder un bon niveau en Mathématiques, en particulier dans le domaine de l’optimisation, idéalement avec des notions de géométrie et de topologie,
• connaitre les bases de la programmation orientée objet et être à l’aise en C++,
• avoir un niveau anglais scientifique.

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