Étude et modélisation de l'alteration physico-chimique de matériaux de cimentation des puits pétroliers

Cement-based materials are used for a long time in oil and gas industry for cementing oil wells. The main role of the cement sheath is to permanently isolate all subsurface formations penetrated by the well. With the growing interest for the environmental concerns (limitation of hydrocarbon pollutants releases, CO2 geological storage), the long-term durability of the cement-based materials used for well construction has become of paramount importance. The principal aim of this present work is to better understand oil-wells cement behaviour during leaching under downhole conditions, and predict its long-term durability. An experimental setup allowed degradation of cement exposed to specific brine with a perfect control of different parameters (temperature, pressure, flowrate, composition). Three leaching tests were performed on cement pastes. The temperature and pressure conditions were as following: 80 °C – 1 bar, 80 °C – 70 bars and 80 °C – 200 bars. The results reported structural and chemical differences between the cement pastes observed after the two types of curing, leading to a different behaviour after leaching test. Moreover, the kinetics of degradation increases at highest pressures because of different solubility of minerals. Simulations were made with the reactive transport model HYTEC and reproduced the main experimental results obtained after cement paste leaching. Consequently, this present work allows news perspectives for researches on oilwell cement behaviour under elevated geological conditions.Les matériaux cimentaires sont utilisés dans l'industrie pétrolière pour la construction des puits. Le rôle principal de cette gaine de ciment est d'isoler entre elles les formations géologiques traversées par un puits pétrolier et ce, de manière permanente et pérenne. De nouveaux enjeux environnementaux pour l'industrie pétrolière (limitation des rejets de polluants hydrocarbonés, stockage géologique du CO2) impliquent une meilleure compréhension de la durabilité à long terme des matériaux utilisés pour la cimentation des puits pétroliers. Cette thèse a pour objectif principal de mieux comprendre le comportement de matériaux cimentaires soumis à la lixiviation en conditions de fond de puits et de prédire leur durabilité à long terme. Un montage expérimental a été mis au point permettant de simuler la dégradation de matériaux en température et pression, avec un renouvellement permanent du fluide agressif. Les tests de dégradation ont été effectués à 80°C-1 bar, 80°C-70 bars et 80°C-200 bars. Il a été montré lors de ces travaux que le mode de maturation de la pâte de ciment, correspondant à différentes localisations du matériau au sein d'un puits, influençait la cinétique de dégradation de la pâte de ciment durant sa lixiviation. De plus, la cinétique de dégradation des pâtes de ciments est plus élevée aux hautes pressions à cause, notamment, de différences de solubilité des minéraux. Les simulations effectuées à l'aide du code de transport réactif HYTEC ont permis de reproduire les principaux résultats expérimentaux. Cette thèse ouvre par conséquent de nouvelles perspectives de recherches sur la dégradation des matériaux cimentaires en conditions géologiques sévères