Effet des contraintes et de la température sur l’intégrité des ciments des puits pétroliers

Pour la cimentation d’un puits pétrolier, la pâte de ciment est injectée dans l’espace annulaire entre le cuvelage et la formation géologique autour du puits. Cette gaine de ciment est soumise à différentes sollicitations thermiques et mécaniques au cours de la vie du puits, depuis l’injection du coulis de ciment à l’état liquide, jusqu’à sa prise et son évolution à l’état solide. Ces sollicitations varient non seulement avec le temps mais aussi avec la profondeur. Il est donc nécessaire de caractériser le comportement de la pâte de ciment au jeune âge et de la pâte de ciment durcie sous sollicitations thermo-mécaniques afin de tenir compte de l’évolution des propriétés thermo-porovisco-mécaniques de la pâte de ciment le long du puits (de la surface à la profondeur maximale) et au cours de sa vie. Dans une thèse précédente, Ghabezloo (2008) a étudié, à partir d’une approche expérimentale, le comportement thermo-poro-mécanique d’une pâte de ciment durcie de classe G hydratée à 90°C en réalisant des essais poromécaniques classiques tels que des essais de compression isotrope drainés, non-drainés, et sans membrane et des essais de chauffage drainés et non-drainés ainsi que des essais déviatoriques drainés à 90°C. Le comportement de la pâte de ciment au jeune âge et d’autres aspects de la pâte de ciment durcie tels que le comportement différé, le comportement élastoplastique, l’effet des cycles mécaniques ou thermiques n’ont pas été abordés dans la thèse de Ghabezloo (2008) et seront étudiés ici. La démarche choisie est basée sur des essais en laboratoire sous différentes configurations de sollicitations thermo-mécaniques et le développement de modèles de comportement.

La Porlandite est formée de cristaux hexagonaux larges qui sont entourés par des gels de C-S-H et elle occupe environ 20% du volume de la pâte de ciment (Mindess et al., 2003). Mehta and Monteiro (2001) ont constaté que la morphologie de la Portlandite depend de l’espace disponible et de la température d’hydratation.

Les monosulfoaluminates sont des cristaux prismatiques et l’ettringite est sous forme des aiguilles très minces. Ils jouent un rôle mineur dans la structure de la pâte de ciment durcie avec une fraction volumique de 15%-20%.

Le produit majeur est le C-S-H qui est une phase poreuse avec une structure amorphe et colloïdale et une composition chimique variée. Il occupe entre 50% et 70% du volume total de la pâte de ciment. A cause de sa forte fraction volumique, les propriétés du C-S-H ont un rôle dominant dans les propriétés macroscopiques de la pâte de ciment. Selon Jennings et Tennis (1994), le C-S-H existe sous deux types intitulés “haute densité” C-S-H HD et “faible densité” C-S-H LD. Jennings (2000) et Jennings (2004) ont postulé que le C-S-H LD et le C-S-H HD ont la même unité fondamentale, appelée “globule”. La différence entre les deux types de C-S-H est dans l’arrangement des globules résultant des différentes porosités de gel qui est d’environ 24% pour le C–S–H HD contre 37% pour le C–S–H LD. Pendant l’hydratation, le C-S-H LD est formé plus tôt et il correspond à une taille de pores de 10nm à 100nm (Constantinides, 2006). Le C-S-H HD est ensuite formé correspondant à une taille de pores de 5nm à 50nm. Jennings (2008) a proposé un modèle conceptuel pour la microstructure de C-S-H. L’unité fondamentale est un feuillet solide sec de C-S-H qui forme le globule de C-S-H, la porosité intra-globule est remplie par l’eau intercouche et une mono-couche de l’eau adsorbée sur la surface du globule (Figure 3). Les pores les plus petits sont dans la microstructure : pore IntraGlobules (IGP) avec une taille inférieure à 2nm où l’eau peut sortir et entrer. La structure de C–S–H dans le modèle de Jennings contient de petits pores de gel (SGP) d’une taille de 1nm à 3nm dans l’espace entre les globules adjacents et de larges pores de gel (LGP) avec une taille comprise entre 3nm et 12nm entre des groupes de quelques globules .

Le degré d’avancement des réactions d’hydratation du ciment est défini de différentes façons. Il peut être identifié en suivant l’évolution relative d’une caractéristique physique ou mécanique comme : la quantité d’eau chimique liée, la chaleur d’hydratation, la surface spécifique des hydrates et la résistance en compression suivant le guide technique des laboratoires des ponts et chaussées, sur la maturométrie (2003).

Le degré d’avancement des réactions d’hydratation est couramment confondu avec degré d’hydratation (Copeland et al., 1962; Byfors, 1980; Torrentti, 1992).

L’effet de la température sur la cinétique d’hydratation est en général étudié en mesurant l’évolution de la résistance et des modules élastiques dynamiques . Il n’existe pas beaucoup de données concernant l’effet de la température d’hydratation sur le degré d’hydratation. Lerch et Ford (1948) ont trouvé une augmentation plus rapide du degré d’hydratation de quatre types de ciment Portland (différentes compositions et différentes finesses) avec la température d’hydratation pour des valeurs comprises entre 4°C et 40°C. En utilisant la méthode de la diffractométrie aux rayons X (DRX), Escalante-Garcia (2003) a estimé le degré d’hydratation pour une pâte de ciment Portland ordinaire pour des températures d’hydratation de 10°C, 20°C, 30°C, 40°C et 60°C. Il a trouvé que le degré d’hydratation évolue plus rapidement pour des températures plus élevées et que le degré d’hydratation à une température de 60°C devient plus faible que celui à 40°C après environ 20 jours. Selon cet auteur, les produits autour des grains de clinker sont plus compactés à 60°C qu’à 20°C et c’est cette couche des produits qui ralentit les réactions chimiques. Thomas (2007) a étudié l’effet de la température d’hydratation sur la cinétique d’hydratation de C3S en réalisant des essais calorimétriques isothermes à 10°C, 20°C, 30°C et 40°C. Cet auteur a trouvé aussi une accélération du degré d’hydratation avec la température d’hydratation. Zhang et al. (2010) ont utilisé la méthode d’analyse thermogravimétrique (TGA) dans le but de calculer le degré d’hydratation des échantillons hydratés à différentes températures. Cette technique consiste à mesurer la perte du poids de l’échantillon qui est chauffé à haute température. Un changement de masse dans une gamme de température spécifique permet d’identifier la présence des particules chimiques des constituants du matériau. La grandeur de ce changement de masse permet d’évaluer la quantité du produit dans l’échantillon et donc d’estimer le degré d’hydratation de la pâte de ciment. Zhang et al. (2010) ont trouvé une augmentation plus rapide du degré d’hydratation à des températures plus élevées pour un ciment de classe H avec w/c=0,35 .

Une accélération de l’hydratation sous l’effet de la pression est en général observée. Ludwig et Pence (1956) ont montré que sous une pression plus importante, la chaleur d’hydratation évolue plus rapidement pendant les premiers heures, mais après 6h la vitesse d’augmentation de la chaleur d’hydratation devient progressivement plus faible qu’avec une pression plus petite .