Etude bibliographique et outils de modelisation thermo-poro-mecanique

Microstructure de pâte de ciment durcie

La prise et le durcissement du ciment sont les résultats des réactions chimiques qui se passent entre la poudre de ciment et l’eau de gâchage. Le rapport entre la masse d’eau de gâchage et la masse de ciment est appelé rapport eau/ciment et sera désigné dans le reste du mémoire suivant la terminologie anglosaxone par w/c. On désigne par hydratation ces réactions chimiques et les nouveaux composés qui en résultent sont appelés produits d’hydratation ou plus simplement hydrates. La composition du ciment est variable selon le clinker utilisé. Le ciment est composé de cinq constituants principaux, alite, bélite, aluminate, ferrite et gypse, pour lesquels les fractions massiques typiques pour un ciment Portland ordinaire et un ciment pétrolier class G sont présentées dans le Tableau 1-1. Les abréviations utilisées sont les notations normalisées de la chimie des ciments : C=CaO, H=H2O, S=SiO2, F=Fe2O3, A=Al2O3, S=SO3 . Généralement le ciment contient aussi des petites quantités d’oxydes mineurs de calcium, magnésium, potassium, sodium et soufre. Le ciment, lorsqu’il est utilisé dans un puits pétroliers, doit satisfaire à des besoins spécifiques.

Le coulis de ciment au cours de sa mise en place dans le puits, peut atteindre une température élevée (jusqu’à 250°C) et une pression de l’ordre de 150MPa. Le coulis doit rester suffisamment fluide pendant l’opération de pompage et doit développer rapidement une résistance à la compression suffisante. Le ciment doit être aussi suffisamment étanche pour isoler les formations et empêcher l’écoulement de fluides (eau, saumure ou gaz) et cela en résistant à l’attaque chimique. Différentes classes du ciment sont définies par l’American Petroleum Institute (API) pour l’utilisation dans les puits pétroliers. Les classes G et H, qui sont largement utilisées peuvent se trouver comme MSR (Moderate Sulfate-Resistant Grade) ou HSR (High Sulfate-Resistant Grade), la différence est leur teneur en C3A. La concentration en C3A doit être inférieure à 8% en poids pour un ciment MSR et à 3% pour un HSR.

Hydratation du ciment

Une discussion sur la microstructure de la pâte de ciment durcie nécessite une compréhension du processus d’hydratation. Les réactions chimiques de l’hydratation du ciment sont complexes et plusieurs détails sont encore aujourd’hui sujets de débat. Dans ce chapitre uniquement les aspects essentiels de ce processus qui sont en relation avec la discussion principale sur la microstructure de ciment seront présentés. Une description plus détaillée des réactions chimiques est présentée par Taylor (1997).

L’hydratation de l’alite (C3S impur) et de la bélite (C2S impur) fournit une grande partie de la résistance développée dans la pâte du ciment. Le C-S-H et le CH occupent respectivement environ 50 à 60% et 20 à 25% du volume total des hydrates. La formule C3S2H3 n’est qu’une approximation pour le C-S-H, car sa composition varie considérablement selon la composition du ciment, la quantité d’eau dans la pâte, les conditions de cure. Mindess et al. (2003) présentent la formule C3S2H8 pour le C-S-H. Par conséquent, ces auteurs présentent les équations (1-1) et (1-2) sous des formes légèrement différentes. Le C-S-H est un gel amorphe qui contient des pores, appelés pores de gel, dont le diamètre est de l’ordre de quelques nanomètres. La finesse de la porosité de gel, crée une surface spécifique de quelques centaines de m² /g. Par conséquent, le C-S-H est responsable de la plupart des propriétés de la pâte de ciment durcie, comme la résistance, la perméabilité, les variations de volume, etc. Une autre conséquence de la porosité très fine et de la surface spécifique très grande est l’association et les interactions significatives entre la phase solide et la phase aqueuse de C-S-H. Par conséquent le C-S-H est souvent décrit dans la littérature comme une structure colloïdale très fine. En plus de l’eau dans les pores de gel, le C-S-H contient une certaine quantité d’eau chimiquement liée. Contrairement au C-S-H, le CH est un matériau cristallin avec une composition fixe. C3A et C4AF réagissent avec le gypse et l’eau et produisent l’ettringite, C AS H (Mindess 6 3 32 et al., 2003).

Si les sulfates sont consommés avant l’hydratation complète du C3A, l’ettringite réagit avec le C3A et l’eau et forme un autre produit, le monosulfoaluminate. Quand celui-ci est en contact avec de nouvelles sources de sulfates, l’ettringite peut être produite à nouveau. Ce potentiel de production de l’ettringite est la base de l’agression du ciment par les sulfates quand celui-ci est en contact avec une source externe de sulfates.

Porosité 

La porosité de gel dans le C-S-H et la porosité capillaire forment la porosité totale de la pâte de ciment durcie. Lorsque le rapport w/c dans une pâte de ciment dépasse une certaine limite (~0,38), les hydrates ne peuvent plus entièrement remplir l’espace disponible initialement occupé par l’eau et par conséquent une porosité avec des pores relativement grands, appelée porosité capillaire, est introduite dans la pâte durcie. Les diamètres des pores dans la porosité de la pâte de ciment couvrent une large gamme, de 0,5nm dans la porosité de gel jusqu’à 10µm dans la porosité capillaire. Dans les microphotographies de la pâte de ciment, on peut parfois voir aussi des grands pores créés par des bulles d’air au moment de la fabrication de coulis du ciment, qui peuvent atteindre un diamètre de 1,0mm. La porosité totale de ciment peut être évaluée en séchant un échantillon à 105°C. Cette porosité contient une partie de l’eau interfoliaire de la structure de C-S-H. Au cours du séchage de ciment, à partir d’une humidité relative égale à 11%, une partie de l’eau située dans la porosité interfoliaire s’évapore, mais une autre partie liée aux feuillets de C-S-H reste dans la structure de ciment (Jennings, 2008). Par conséquent une autre porosité, appelée porosité de l’eau libre, peut être définie qui ne prend pas en compte l’eau interfoliaire. Cette porosité peut être évaluée en mettant un échantillon en équilibre à 11% d’humidité relative (Taylor, 1997 ; Jennings et al., 2002).

Outils de modélisation thermo-poro-mécanique

Pour étudier le comportement thermo-poro-mécanique du ciment, il est nécessaire de préciser le cadre théorique de la modélisation, d’identifier les paramètres de base du modèle et de définir les essais de laboratoire nécessaires pour les évaluer. La théorie poromécanique est une extension de la théorie de la mécanique des milieux continus solides, à l’étude des matériaux poreux pour lesquels le comportement mécanique est influencé par la présence d’un ou plusieurs fluides interstitiels. Terzaghi (1936) est vraisemblablement le premier qui a identifié le rôle important de la pression interstitielle dans la déformation des sols.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ET OUTILS DE MODELISATION THERMO-PORO-MECANIQUE
1.1 Introduction
1.2 Microstructure de pâte de ciment durcie
1.2.1 Hydratation du ciment
1.2.2 Structure de C-S-H
1.2.3 Microstructure simplifiée de la pâte de ciment durcie
1.2.4 Porosité
1.3 Outils de modélisation thermo-poro-mécanique
1.3.1 Comportement volumique thermo-poro-élastique
1.3.1.1 Effets des déformations volumiques non-élastiques
1.3.2 Comportement déviatorique
1.3.3 Notion de la contrainte effective
1.3.3.1 Contrainte effective pour le module de compression drainé
1.3.4 Modules tangent et sécant
1.4 Propriétés thermo-poro-mécanique du ciment
CHAPITRE 2. MATERIAU ETUDIE ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
2.1 Introduction
2.2 Fabrication des éprouvettes de ciment
2.2.1 Fabrication de coulis
2.2.2 Fabrication et conservation des éprouvettes
2.3 Protocole expérimental pour les essais triaxiaux dans la cellule GEODESIGN
2.3.1 Description des dispositifs
2.3.1.1 Système de chargement axial
2.3.1.2 Contrôleur de pression de confinement TITAN
2.3.1.3 Contrôleur de pression interstitielle GDS
2.3.1.4 Instrumentation
2.3.2 Protocole d’essai
2.3.2.1 Choix de la membrane
2.3.2.2 Montage de l’éprouvette dans la cellule
2.3.2.3 Saturation de l’éprouvette
2.3.2.4 Vitesse de chargement
2.3.2.5 Durée des essais
CHAPITRE 3. COMPORTEMENT THERMO-PORO-MECANIQUE D’UN CIMENT PETROLIER SOUS CHARGEMENT ISOTROPE
3.1 Introduction
3.2 Comportement poromécanique à température ambiante
3.3 Evolution de la perméabilité sous chargement isotrope
3.4 Effet de température sur le comportement poromécanique
3.4.1 Essai de compression isotrope ‘sans membrane’ à 90°C
3.4.2 Essais de compression isotrope drainés à 90°C
3.4.3 Fluage sous contraintes isotropes
3.5 Conclusions
3.6 Perspectives
CHAPITRE 4. PRESSURISATION THERMIQUE D’UN CIMENT PETROLIER
4.1 Introduction
4.2 Etude préliminaire: pressurisation thermique d’une roche saturée
4.3 Effet de chauffage sur la pâte de ciment durcie
4.4 Conclusions
4.5 Perspectives
CHAPITRE 5. ETUDE PRELIMINAIRE DU COMPORTEMENT DU CIMENT PETROLIER SOUS CHARGEMENT DEVIATORIQUE
5.1 Introduction
5.2 Résultats des essais déviatoriques
5.3 Modèle d’endommagement
5.4 Caractérisation des échantillons après la rupture
5.5 Conclusions
5.6 Perspectives
CHAPITRE 6. CONCLUSIONS

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