Méthode expérimentale pour l’étude de la lixiviation des matériaux de cimentation des puits en conditions de fond

Dans ce chapitre, nous nous attacherons premièrement à présenter le protocole expérimental de maturation des pâtes de ciment. Nous expliquerons également les raisons pour lesquelles deux modes de maturation pour ce matériau ont été développés. Deuxièmement, comme le but initial de ce travail est d’étudier la durabilité de pâtes de ciment dans les conditions de fonds de puits, nous avons mis au point un montage expérimental permettant la lixiviation d’une pâte de ciment en température et pression, représentant des conditions fond de puits. Nous insisterons donc, dans ce chapitre, sur le développement de ce nouveau dispositif expérimental unique. Nous montrerons aussi comment le logiciel HYTEC a été utilisé afin de définir les conditions expérimentales avec ce dispositif particulier. Elle consiste en deux phases distinctes : prise et maturation des échantillons. Deux formulations ont été étudiées dans le cadre de cette thèse : une pâte de ciment ayant un rapport E/C de 0,44 et une pâte de ciment haute performance (E/C = 0,27) (CHP). Pour la pâte de ciment, ces deux phases se sont déroulées à 80°C-70 bar et 80°C-200 bar. Pour les CHP, ces deux phases se sont déroulées uniquement à 80°C-70 bar.

Le ciment Portland de classe G de type CEMOIL® a été fourni par Italcementi. La composition du clinker, déterminée par fluorescence X, est présentée dans le tableau 2.1 et la composition minéralogique estimée par la formule de Bogue est donnée dans le tableau 2.2. Il convient de rappeler que le gypse n’est pas pris en compte pour le calcul.  performance » appelé « CHP ». Cette formulation peut être assimilée à un micro mortier, car elle contient de la fumée de silice (ou microsilice thermique, MST) ainsi que du quartz broyé (C4) fourni par Sifraco. La granulométrie pour ce dernier ajout ne dépasse pas 300 micromètres. Il est également ajouté un fluidifiant fourni par Handy Chemicals (Disal) qui a pour effet principal d’abaisser le seuil de cisaillement et la viscosité du coulis de ciment. Enfin, il est ajouté à la formulation un anti-moussant (NF3) qui permet d’éliminer le phénomène de microbullage. Les caractéristiques de cette formulation sont détaillées dans le sont les mêmes pour les pâtes de ciment (E/C = 0,44) et le CHP. Nous allons décrire ici l’exemple de la prise d’une pâte de ciment à 80°C-70 bar et 80°C-200 bar. pour 40 mm de diamètre. Le faible rapport E/C conduit à ne pas avoir de ségrégation et de ressuage pour les pâtes de ciment. Ces flacons sont percés au niveau du bouchon pour que la pression du fluide puisse s’appliquer sur la pâte de ciment sans déformer les flacons. En effet, l’hydratation se déroule durant 16 heures dans une cellule (Figure 2.1) en pression et en température (70 bar et 80°C ou 200 bar et 80°C). Ce temps de prise est nécessaire car il va permettre d’atteindre une résistance mécanique suffisante pour manipuler et découper les échantillons qui seront ensuite maturés. Dans la cellule, la température de 80°C est atteinte au bout de 4 heures.

La pression dans la cellule atteint 70 bar en 5 minutes, et la pression de 200 bar est atteinte en 15 minutes. Le fluide contenu dans la cellule est une eau saturée en chaux (0,043 mol/L de Ca(OH)2) contenant des alcalins (0,12 mol/L de NaOH et 0,29 mol/L de KOH) pour éviter un léger phénomène de lixiviation du matériau. Les concentrations en alcalins correspondent aux concentrations en ions sodium et potassium dans l’eau interstitielle du ciment à T et P ambiantes. pour les CHP. Nous détaillons ici le protocole de maturation pour des pâtes de ciment. Un des objectifs de cette étude est de prendre en compte les conditions de l’environnement proche de l’annulaire cimenté pour les reproduire, aussi fidèlement que possible, lors de la phase de maturation du matériau. La coupe transversale d’un puits de forage (Figure 2.2) montre clairement qu’il existe deux interfaces pour l’annulaire cimenté qui est placé entre la formation géologique et le casing. La première concerne l’interface ciment-roche. En effet, une partie de la gaine cimentée peut être altérée immédiatement par des eaux agressives contenues dans les formations géologiques traversées par le puits car il se crée un déséquilibre entre la solution interstitielle du ciment et les eaux de formation : il y a donc échange de matière lors de la maturation.