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Effet des conditions environnementales sur les propriétés mécaniques d’un ciment
de puits géothermique
Effect of environmental conditions on the mechanical properties of geothermal well cement paste
Nauleau E., Martineau F., Kréziak C.
Université Paris-Est, IFSTTAR, Marne-la-Vallée, France
Ghabezloo S.
Université Paris-Est, Laboratoire Navier/CERMES, Ecole des Ponts ParisTech, France
RÉSUMÉ: Afin de remplir l’espace annulaire entre le tubage des puits de forage géothermiques et la formation géologique
environnante, une gaine de ciment est utilisée et assure un rôle d’étanchéité. Des conditions environnementales comme la
température, la pression et la présence de NaCl dans les eaux de l’aquifère du Dogger peuvent potentiellement influencer l’hydratation
du coulis de ciment. Une cellule de maturation a été mise au point au sein de l’IFSTTAR afin d’étudier les effets de ces conditions sur
l’hydratation et sur les propriétés de la pâte de ciment durcie. Des mesures de vitesse du son et de détermination du module de Young
ont été réalisées sur la pâte de ciment durcie. Les éprouvettes sont préparées dans la cellule de maturation sous différents couples de
pression/température, avec ou sans présence du NaCl dans le fluide environnant. Les résultats montrent une réduction significative des
propriétés mécaniques de la pâte de ciment durcie avec l’augmentation de la température d’hydratation entre 20°C et 90°C. Une
augmentation de la pression d’hydratation à 20MPa et la présence du NaCl à 20°C n’ont pas d’influence significative sur les
propriétés mécaniques
ABSTRACT: In a geothermal well, a cement sheath is placed between the casing and geological formation for support and sealing
purpose. Environmental factors such as temperature, pressure and the presence of NaCl in the fluids in Dogger aquifer can potentially
affect the hydration of cement. A maturation cell is developed at IFSTTAR to study the effects of environmental conditions on the
properties of the hardened cement paste. Ultrasonic wave velocity measurements and Young modulus tests are performed on
specimens prepared in the cell under various pressure/temperature conditions, with or without NaCl in the surrounding fluid. The
results show a significant reduction in the mechanical properties of the hardened cement paste with increasing hydration temperature
between 20°C and 90°C. An increase in the pressure to 20 MPa and the presence of NaCl at 20°C show no significant influence on the
mechanical properties
MOTS CLÉS : Pâte de ciment durcie, cellule de maturation, vitesse du son, module de Young, conditions d’hydratation
KEYWORDS: hardened cement paste, maturation cell, ultrasonic wave velocity, Young modulus, hydration conditions
1 INTRODUCTION
Le principe des puits géothermiques basse énergie consiste à
extraire l’énergie géothermique contenue dans l’aquifère du
Dogger (situé à 1800 mètres de profondeur à une température de
85°C) pour l’utiliser sous forme de chauffage. Dans un puits
géothermique une gaine de ciment est placée entre la roche et le
cuvelage d’acier pour assurer l’étanchéité et la stabilité de puits
et protéger le cuvelage contre la corrosion. La tenue de cette
gaine de ciment pendant la vie du puits est importante pour
éviter tout problème de perte d’étanchéité qui pourrait causer
des dégâts à l’échelle du puits mais aussi de pollution des
nappes environnantes. Dans un puits, le gradient géothermique,
les circulations d’eau chargée en éléments chimiques (Rojas et
al. 1989, Ignatiadis et al. 1991), e.g. NaCl, au sein même de
l’aquifère ainsi que les fortes contraintes dues à la profondeur
sont susceptibles d’influencer l’hydratation du coulis de ciment
et peuvent à long terme, contribuer à une dégradation
prématurée du puits. Ces facteurs environnementaux (la
température, la pression et les concentrations en NaCl) jouent
un rôle prépondérant sur la cinétique d’hydratation, la
composition chimique des hydrates et la microstructure de la
pâte de ciment durcie (Theissing et al. 1978, Ramachandran et
al. 1984, Escalante-Garcia et Sharp, 1997), ce qui modifie
naturellement la perméabilité et les propriétés mécaniques du
matériau et influence sa contribution dans l’étanchéité et la
stabilité du puits. Afin d’étudier les influences de ces facteurs
environnementaux sur le comportement de la pâte de ciment
durcie, une cellule de maturation a été mise au point à
l’IFSTTAR. Cette cellule de maturation permet de reproduire
l’environnement d’un puits géothermique en combinant la
pression, la température et la présence de NaCl.
Cet article s’intéresse donc, dans une première partie, à
décrire le programme expérimental et le coulis de ciment utilisé,
ses caractéristiques ainsi que les différents essais de
caractérisation utilisés (détermination du module de Young et
mesures de vitesse du son). La seconde partie de l’article est
consacrée à la présentation de la cellule de maturation, de sa
conception à son fonctionnement. Enfin la troisième partie
s’intéresse aux résultats expérimentaux.
2 PROGRAMME EXPERIMENTAL
2.1 Matériaux utilisés
Un ciment de classe G (classification de l’American
Petroleum Institute, API) a été utilisé pour la préparation des
éprouvettes. Ce ciment est fréquemment utilisé pour la
cimentation des puits de forage géothermiques ou pétroliers. Il
s’agit d’un ciment à Haute Résistance aux Sulfates (teneur en
C
3
A inférieure à 3% d’après la norme 10A/ISO 10426-1 : 2000
de l’API). Le rapport eau/ciment choisi pour les essais est égal à
0.44 et la densité est égale à environ 1.9 (tous deux
représentatifs des valeurs utilisés dans un puits). La composition
du ciment de classe G utilisé est présentée dans le tableau 1.
Tableau 1 : Composition de ciment de classe G utilisé
Composants
C
3
S C
2
S C
3
A C
4
AF
Pourcentage %
61.2
17.7
1.7
16.3
2.2 Fabrication et conservation des éprouvettes
