Etat de l’art sur la microstructure des pâtes de ciment et leur dégradation par lixiviation

Cette première partie présente d’une part, l’état de l’art portant sur la description de lamicrostructure d’une pâte de ciment (phases minérales présentes, porosité etc.) qui conditionne son évolution ultérieure. L’effet de la température et de la pression est discuté. D’autre part, une analyse des études portant sur la dégradation des pâtes de ciment par lixiviation, généralement à température et pression ordinaires, permettra de décrire les mécanismes physico-chimiques impliqués. A partir de ces données, nous tenterons de prédire l’effet de la température et de la pression qui prend toute son importance lorsque l’on sait que la pâte de ciment est souvent le matériau effectivement utilisé pour chemiser les puits pétroliers. entre l’eau et le ciment suite à l’hydratation de ce dernier. Cette microstructure dépendra donc principalement de la proportion relative des constituants à travers le rapport E/C (eau/ciment), du degré d’avancement de l’hydratation et de la nature du ciment. L’ajout de gypse (CaSO4, 2H2O) au clinker permet d’éviter une prise rapide du ciment à cause de la grande réactivité des aluminates et alumino-ferrites de calcium. La formation très rapide d’une couche d’ettringite (C3A, 3CaSO4, 32H2O) à la surface des grains de C3A et de C4AF permet de ralentir momentanément l’hydratation de ces deux anhydres et garantit la maniabilité du coulis de ciment.

Le principal critère de classification des ciments Portland est la résistance mécanique à la compression qui dépend de la proportion des différentes phases du clinker, des ajouts et de la surface spécifique du ciment. La quantité des principales phases du clinker peut être estimée à l’aide de l’équation de Bogue, basée sur l’analyse chimique du clinker. Cette méthode, tend à être remplacée par la méthode de Rietveld qui permet d’estimer de façon quantitative les proportions massiques des différentes phases à partir d’un diagramme de diffraction des rayons X. utilisées dans la cimentation de puits entre la surface et 2300m de profondeur, ou à des profondeurs et températures plus élevées lorsqu’elles sont associées à des retardateurs. Seule la surface spécifique différencie réellement les classes G et H, leur composition chimique est quasiment équivalente : le ciment de classe H a des grains plus gros que le ciment de classe G. Nous nous intéressons dans cette étude au ciment de classe G, défini par la spécification A.P.I [API,95] et qui est utilisé depuis la surface jusqu’à environ 2440 m de profondeur lorsque les conditions nécessitent une résistance initiale élevée aux sulfates. d’un ciment Portland de classe G [ZHO,96]. Le tableau 1.2 représente le pourcentage massique des phases majoritaires du clinker. D’une façon générale les ciments pétroliers sont fabriqués avec des clinkers riches en aluminoferrite de calcium et en silicate dicalcique [HAL,98]. Cette différence leur confère une résistance initiale modérée ou élevée aux sulfates, qui sont fréquemment présents dans les eaux de formations géologiques.

Les ciments pétroliers sont produits pour couvrir une grande gamme de températures et de pressions tout en ayant une bonne rhéologie ainsi que des résistances mécanique et chimique adaptées. Ainsi, ce ne sont généralement pas des pâtes pures qui sont utilisées mais des coulis contenant des constituants additionnels comme la fumée de silice, les accélérateurs, les retardateurs, les agents alourdissants, les dispersants, les agents de contrôle de perte de fluide etc. Ainsi, de nouvelles formulations de coulis de ciments plus performants ont été développées notamment en utilisant de la fumée de silice et du quartz broyé qui seront employés dans une des deux formulations étudiées [NOI,98] [NOI,99]. Citons l’intérêt de quelques uns de ces constituants :