Comportement thermo-chimio-hydro-mécanique d'un ciment pétrolier au très jeune âge en conditions de prise HP/HT : approche expérimentale et analyse par changement d'échelle, Thermo-chemo-hydro-mechanical behavior of an oilwell cement at very early age under high pressure and elevated temperature : experimental approach and multiscale analysis

Monsef Bourissai

Description

Sous la direction de Guy Bonnet
Thèse soutenue le 30 juin 2010: Paris Est
Le travail de thèse a porté essentiellement sur l'effet des conditions de prise en pression et en température dans une gamme (20-60°C/Patm-200 bar) d'un ciment pétrolier (Portland « classe G ») au très jeune âge (jusqu'à un jour) en condition saturée sur (i) la cinétique d'hydratation, (ii) les propriétés hydriques (perméabilité et porosité) et (iii) le développement des propriétés élastiques dynamiques obtenues par propagation d'ultrasons et quasi-statiques. Les propriétés quasi-statiques instantanées et différées ont été obtenues à partir d'essais mécaniques réalisés en compression simple à différents temps/degré d'hydratation.La partie I a permis de montrer que la pression appliquée pendant la prise a un effet négligeable sur la cinétique d'hydratation contrairement à l'effet accélérateur de la température de prise. Un modèle de cinétique d'hydratation tenant compte de l'effet accélérateur de la température a été mis en place afin de déterminer l'évolution des fractions volumiques des différentes phases en présence dans la pâte de ciment au cours de son hydratation. L'évolution de la phase (porosité capillaire + eau) obtenue par le modèle d'évolution des fractions volumiques est en bonne concordance avec l'évolution de la porosité connectée mesuré par porosimétrie dans la deuxième partie de travail de thèse. En partie II, concernant la caractérisation de la perméabilité, les valeurs obtenues ainsi que l'évolution des propriétés élastiques quasi-statiques obtenue expérimentalement ont permis de déterminer le temps de drainage pour chacune des conditions d'hydratation étudiées. Cette information permet de déterminer la nature drainée ou non drainée des essais mécaniques quasi statiques réalisés. En partie III, les essais mécaniques ont permis d'identifier un comportement granulaire faiblement cohésif au niveau du sommet du pic exothermique, puis un comportement solide cohésif avec progression des propriétés mécaniques au cours de l'hydratation à partir de la décroissance du flux thermique. Enfin, deux modèles par homogénéisation multi-échelles ont été proposés, la différence portant sur la schématisation de la pâte de ciment au très jeune âge. Les résultats ont été confrontés avec succès aux propriétés élastiques dynamiques et quasi-statiques drainées et non drainées obtenues expérimentalement
-Ciment
-Hydratation
-Calorimétrie
-Perméabilité et porosité
-Propriétés mécaniques
-Homogénéisation
The thesis primarily concerned the effect of the set conditions in pressure and in temperature in a range (20-60°C/Patm-200 bar) of an oilwell cement (Portland cement class G) at very early age(up to one day) in saturated condition on (I) the hydration kinetics, (II) the hydrous properties (permeability and porosity) and (III) the development of the dynamic elastic properties obtained by ultrasonic propagation and quasi-static properties. The instantaneous and differed quasi-static properties were obtained by mechanical tests carried out in uniaxial compression with various times/degree of hydration
-Oilwell cement
-Hydration
-Calorimetry
-Permeability and porosity
-Mechanical properties
-Homogenization
Source: http://www.theses.fr/2010PEST1050/document

Sujets

• Ciment
• Hydratation
• Calorimétrie

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 69
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Année 2010

THESE

pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PARIS-EST
Discipline : Mécanique
Ecole doctorale : Sciences, Ingénierie et Environnement
présentée et soutenue publiquement par
Monsef BOURISSAI
le 30 Juin 2010
Titre :
Comportement thermo-chimio-hydro-mécanique d'un ciment
pétrolier au très jeune âge en conditions de prise HP/HT.
Approche expérimentale et analyse par changement d’échelle.
Directeur de thèse : Guy BONNET
Jury
M. Frédéric SKOCZYLAS, Professeur Rapporteur
M. Alain SELLIER, Professeur Rapporteur
M. Fekri MEFTAH, Professeur Examinateur
M. Ahmed LOUKILI, Professeur Président du Jury
Mme. Nadège BRUSSELLE-DUPEND, Ingénieur de recherche Examinateur
M. Guy BONNET, Professeur Directeur de thèse

tel-00582893, version 1 - 4 Apr 2011











A mes parents : Mina Ben Omar et Abdelaziz BOURISSAI, à mon frère Faiçal et à ma
sœur Lamyae pour leur soutien inconditionnel…







tel-00582893, version 1 - 4 Apr 2011REMERCIEMENTS
Que toutes celles et tous ceux qui ont contribué de loin ou de près à ce travail de recherche, trouvent
ici ma sincère reconnaissance.
Ce travail de recherche a été réalisé grâce à une collaboration entre le laboratoire de Modélisation et
Simulation Multi-Echelle CNRS UMR 8208 (MSME) de l’Université Paris-Est et le
département Mécanique Appliquée de l’IFP. Je les remercie de m’avoir accueilli et soutenu
pendant ma thèse.
J’adresse mes remerciements à M. Alain SELLIER et M. Frédéric SKOCZYLAS
d’avoir accepté de rapporter ma thèse, pour l’intérêt qu’ils ont montré vis-à-vis de mon travail et
d’avoir soulevé des questions très intéressantes qui ont animé les débats de fin de soutenance. Je
souhaite remercier M. Ahmed LOUKILI d’avoir accepté d’examiner mon travail, d’avoir
accepté de présider mon jury de thèse et d’avoir participé d’une manière très intéressante aux débats
au cours de la soutenance de cette thèse.
Ma profonde reconnaissance et mes vifs remerciements s’adressent aux 3 personnes qui m’ont
d’abord donné l’occasion de faire cette thèse, qui m’ont fait confiance, qui m’ont guidé tout au long
de ce parcours passionnant, qui m’ont donné tout le temps, l’aide et les moyens pour réussir mes
travaux dans les meilleures conditions, Guy BONNET, Nadège BRUSSELLE-
DUPEND et Fekri MEFTAH.
Je remercie également Eric Lécolier du département Physico-chimie Appliquées de l’IFP pour
son implication dans mon sujet de thèse, de m’avoir accordé son temps pour répondre à mes
questions, ainsi que pour les échanges très fructueux que nous avons eu.
Ce travail à dominance expérimentale n’aurait pas été possible sans l’aide d’une équipe technique
performante.
Je remercie particulièrement Alain et Nathalie pour leur aide précieuse qu’ils m’ont apportée
tout au long de la thèse. Je remercie également Xavier pour son aide et son savoir faire concernant
les essais mécaniques en compression simple. Je tiens aussi à remercier Christian pour son aide
en HP-micro DSC et Arnaud pour son aide en Ultrasons.
tel-00582893, version 1 - 4 Apr 2011J’ai trouvé à l’IFP une ambiance chaleureuse et efficace de travail, je tiens à remercier toute
l’équipe pour cette bonne et agréable ambiance.

A l’IFP j’ai croisé d’autres connaissances, je pense particulièrement à mes ami(e)s sans exception
que je remercie chaleureusement pour leur bonne humeur, les rigolades, et les moments inoubliables
de partage passés ensemble.

Mes remerciements vont également à toute l’équipe du laboratoire MSME de l’Université Paris-
Est avec laquelle j’ai passé des moments très agréables et inoubliables.

Enfin mes remerciements sont adressés à ma grande famille en particulier à mes chers parents pour
leur grand soutien et leur vif et permanent encouragement.
A vous tous merci.

Dédicace
Cette thèse est dédiée à mes chers parents, ma sœur et mon frère.

tel-00582893, version 1 - 4 Apr 2011RESUME
Le travail de thèse a porté essentiellement sur l’effet des conditions de prise en pression et en
température dans une gamme (20-60°C/P -200 bar) d’un ciment pétrolier (Portland « classe atm
G ») au très jeune âge (jusqu’à un jour) en condition saturée sur (i) la cinétique d’hydratation,
(ii) les propriétés hydrauliques (perméabilité et porosité) et (iii) le développement des
propriétés élastiques dynamiques obtenues par propagation d’ultrasons et quasi-statiques. Les
propriétés quasi-statiques instantanées et différées ont été obtenues à partir d’essais
mécaniques réalisés en compression simple à différents temps/degré d’hydratation.
La partie I a permis de montrer que la pression appliquée pendant la prise a un effet
négligeable sur la cinétique d’hydratation contrairement à l’effet accélérateur de la
température de prise. Un modèle de cinétique d’hydratation tenant compte de l’effet
accélérateur de la température a été mis en place afin de déterminer l’évolution des fractions
volumiques des différentes phases en présence dans la pâte de ciment au cours de son
hydratation. L’évolution de la phase (porosité capillaire + eau) obtenue par le modèle
d’évolution des fractions volumiques est en bonne concordance avec l’évolution de la porosité
connectée mesuré par porosimétrie dans la deuxième partie de travail de thèse.
En partie II, concernant la caractérisation de la perméabilité, les valeurs obtenues ainsi que
l'évolution des propriétés élastiques quasi-statiques obtenue expérimentalement ont permis de
déterminer le temps de drainage pour chacune des conditions d'hydratation étudiées. Cette
information permet de déterminer la nature drainée ou non drainée des essais mécaniques
quasi statiques réalisés.
En partie III, les essais mécaniques ont permis d'identifier un comportement granulaire
faiblement cohésif au niveau du sommet du pic exothermique, puis un comportement solide
cohésif avec progression des propriétés mécaniques au cours de l'hydratation à partir de la
décroissance du flux thermique. Enfin, deux modèles par homogénéisation multi-échelles ont
été proposées, la différence portant sur la schématisation de la pâte de ciment au très jeune
âge. Les résultats ont été confrontés avec succès aux propriétés élastiques dynamiques et
quasi-statiques drainées et non drainées obtenues expérimentalement.

tel-00582893, version 1 - 4 Apr 2011Table des matières
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................. 18
PARTIE I : ETUDE DE LA CINETIQUE D’HYDRATATION AU TRES JEUNE AGE... 28
Chapitre I-1 ANALYSE BILIOGRAPHIQUE........................................................................ 29
I-1.1. Introduction........................................................................................................................... 29
I-1.2. Microstructure d’une pâte de ciment : de l’hydratation à sa modélisation..................... 29
I-1.2.1. Le ciment Portland à l’état anhydre ................................................................................................ 29
I-1.2.2. Hydratation d’un ciment Portland................................................................................................... 32
I-1.2.2.1. Processus d’hydratation........................................................................................................... 32
I-1.2.2.2. Cinétiques d’hydratation du ciment Portland .......................................................................... 34
I-1.2.2.3. Bilans réactionnels et stoechiométrie des réactions d’hydratation .......................................... 37
I-1.2.2.4. Facteurs influençant le processus d’hydratation...................................................................... 39
I-1.2.2.5. Variations volumiques liées à l’hydratation ............................................................................ 41
I-1.2.3. Modélisation de l’hydratation du ciment Portland.......................................................................... 44
I-1