Rétrogression de résistance dans les ciments hautes températures: origines microstructurelles et méthode de remédiation

Strength retrogression in high-temperature cements: microstructural origins and remediation method

• Auteur / Autrice : Mathilde Lecomte
• Direction : Siavash Ghabezloo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géotechnique

Mots clés

Mots clés libres

Microstructure

Ciment

Rétrogression de résistance

Microstructure

Cement

Strength Retrogression

Résumé

Dans la structure des puits géothermiques et pétroliers, une gaine de ciment est placée entre le cuvelage d'acier et la formation rocheuse pour assurer l'étanchéité et la stabilité des puits. L'hydratation du ciment à des températures au-delà de 100°C entraîne une métamorphose progressive de matériau et une dégradation de ses propriétés hydromécaniques, pouvant mettre en péril l'intégrité du puits. Cette thèse vise à établir une compréhension fine des origines microstructurales de ce phénomène connu sous le nom de « rétrogression de résistance », ainsi que ses méthodes de remédiation. Pour ce faire nous proposons une étude de microstructure et comportement des ciments hydratés sous hautes températures, jusqu'à 200°C, par une approche multi- technique et multi-échelle, associant différentes méthodes expérimentales et modélisations. Les éprouvettes seront préparées à l'aide d'un système de maturation de ciment sous hautes températures et fortes pressions, conçu et fabriqué pour le laboratoire Navier. Une caractérisation quantitative de la microstructure sera réalisée par une association des mesures DRX (diffractométrie au rayons X) avec analyse Rietveld, thermogravimétrie, diverses méthodes de caractérisation de porosité (porosimétrie au mercure, adsorption de vapeur d'eau et de nitrogène, séchage, ...). Ainsi on peut identifier de façon quantitative les effets de l'hydratation sous hautes températures sur la microstructure et les propriétés macroscopiques de ciment. Une application de cette démarche sur les formulations de ciments avec la présence de silice permettra d'explorer les mécanismes physiques de remédiation de phénomène de rétrogression de résistance afin d'améliorer ces méthodes de remédiation.

In the structure of geothermal and oil wells, a cement liner is placed between the steel casing and the rock formation to ensure the sealing and stability of the well. The hydration of cement at temperatures above 100°C leads to a progressive metamorphosis of the material and degradation of its hydromechanical properties, which can jeopardize the integrity of the well. This thesis aims to establish a detailed understanding of the microstructural origins of this phenomenon known as 'strength retrogression', as well as its remediation methods. To do so, we propose a study of the microstructure and behavior of hydrated cements under high temperatures, up to 200°C, by a multi-technique and multi-scale approach, combining different experimental methods and modeling. The specimens will be prepared using a system of maturation of cement under high temperatures and high pressures, designed and manufactured for the Navier laboratory. A quantitative characterization of the microstructure will be carried out by a combination of DRX measurements (X-ray diffractometry) with Rietveld analysis, thermogravimetry, various methods of characterization of porosity (mercury porosimetry, adsorption of water vapor and nitrogen, drying, ...). In this way, the effects of hydration at high temperatures on the microstructure and macroscopic properties of cement can be identified quantitatively. An application of this approach on cement formulations with the presence of silica will allow to explore the physical mechanisms of remediation of the strength retrogression phenomenon in order to improve these remediation methods.