Apport expérimental à l'analyse poroviscoélastique des déformations endogènes dans un ciment pétrolier

Experimental contribution to the poroviscoelastic analysis of autogenous deformations in oilwell cements

• Auteur / Autrice : Adrien Blanc
• Direction : Teddy Fen Chong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 08/07/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Navier
• Jury : Président / Présidente : Aza Azouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Teddy Fen Chong, Denis Damidot, Sylvaine Le Roy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Berthaud, Jean-Baptiste d' Espinose

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Pétrole -- Puits -- Cimentation

Matériaux poreux

Viscoélasticité

Ciment

Mots clés libres

Ciments

Contraintes

Prise

Retrait

Température

Porosité

Cement

Stress

Setting

Shrinkage

Temperature

Porosity

Résumé

La cimentation est une étape cruciale de la construction d'un puits de pétrole, qui vise à garantir l'isolation des différentes zones du puits. La couche protectrice de ciment s'hydrate dans des conditions extérieures de température et de pression qui peuvent varier largement selon les cas, et une mauvaise maîtrise de cette hydratation peut provoquer des déformations internes qui compromettent l'efficacité de la cimentation. On s'intéresse ici à un modèle industriel prédictif de l'évolution d'un annulaire de ciment, qui combine un système d'équations retranscrivant l'hydratation du matériau d'un point de vue thermochimique et un algorithme de calcul viscoélastique vieillissant faisant appel à la poromécanique pour décrire les contraintes et les déformations internes selon un mécanisme de pression capillaire. Ce modèle fait un certain nombre d'hypothèses simplificatrices, nécessaires au vu de la myriade de paramètres importants dans la modélisation du retrait d'hydratation. On s'interroge ici quant aux domaines de validité de ces hypothèses ainsi qu'à la pertinence des jeux de paramètres choisis. Pour ce faire, il a été décidé de comparer des résultats de simulation obtenus avec notre algorithme dérivé du modèle initial et des résultats expérimentaux de mesures d'hydratation et de déformations avec et sans contraintes extérieures. La réaction d'hydratation a été étudiée par des mesures standard comme la calorimétrie ainsi que par résonnance magnétique nucléaire. Cette méthode est relativement récente dans le domaine des matériaux cimentaires en comparaison des autres et possède des avantages pour les suivis d'hydratation à long terme ainsi que pour une détection précise de la prise du matériau sans recours à une sonde mécanique. Les mesures mécaniques ont permis d'étudier le matériau à plusieurs âges et avec plusieurs températures de cure afin de mesurer les courbes d'évolution des modules mécaniques avec le degré d'hydratation. Ces essais regroupent des tests statiques utilisant une presse, permettant de mesurer les propriétés élastiques, ainsi que des essais de fluage et des mesures par un analyseur visco-dynamique afin de mesurer le comportement viscoélastique. Enfin, une analyse critique de certains des choix faits dans le travail de modélisation a été proposée avec des pistes pour améliorer la précision des résultats au jeune âge, à la fois en termes de degré d'hydratation comme de fluage à court terme

Cementing is a crucial step of the construction phase of an oil well, which aims at ensuring zonal isolation between the different parts of the well and the environment. The protective cement annulus hydrates in external conditions of temperature and pressure that can vary widely from one job to another, and poor control of the hydration phase can lead to autogenous shrinkage that reduces the effectiveness of the cementing. In this work, we investigate an industrial predictive model for the evolution of a cement annulus, which combines a thermochemical system describing the cement hydration at the macroscopic scale and an aging viscoelastic system including poromechanics to describe the stress and strain resulting of a capillary pressure mechanism. This model makes a number of simplifying hypotheses that are necessary considering the large amount of important parameters used in the modeling of hydration shrinkage. The range of validity of these assumptions has been investigated, as well as the relevance of the selected parameters used in the model. In this scope, it has been decided to compare simulation results obtained with our algorithm derived from the original model with experimental results of hydration and of deformations obtained with external loading or caused by internal stresses. The hydration reaction was studied by standard calorimetric measurements as well as by nuclear magnetic resonance. This method is relatively new in the field of cementitious materials in comparison with other methods and offers several benefits for following long-term hydration as well as for accurate detection of the setting time of the material without requiring mechanical probing. The mechanical measurements were used to examine the material at various ages and with various curing temperatures to measure the evolution curves of mechanical modules with degree of hydration. These tests include tests using a static press, to measure the elastic properties and creep tests as well as dynamic mechanical analyzer tests to measure viscoelastic behavior. Finally, a critical analysis of some of the choices made in the modeling work has been proposed with suggestions to improve the accuracy of simulations at early age, both in terms of degree of hydration as of short-term creep strains