Comportement thermo-poro-mécanique d'un ciment pétrolier

Cette thèse a reçu le prix de thèse de la Fondation de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées en 2009In oil wells, a cement sheath is placed between the rock and the casing for stability and sealing purpose. The cement lining is submitted to various thermal and mechanical loadings during the life of the well from the drilling phase to the production phase and finally in the abandon phase when the reservoir can be used for storage and sequestration of greenhouse gas. In due course of these solicitations, the cement can be damaged and the mechanical and transport properties can be degraded. This degradation can affect its contribution in the stability and in the sealing of the well. The knowledge of behaviour of this cement in oil-wells conditions (high temperature, high pressure) is essential for the prediction of the well performance during the exploitation and also for the analysis of the well tightness during storage and sequestration as the cement sheath is a possible leakage path. In this thesis, an experimental study of the thermo-poro-mechanical behaviour of a hardened oil-well cement paste under high stresses and for temperatures between 20°C and 90°C is performed. The poro-mechanical behaviour of hardened cement paste under isotropic loading is studied on the basis of an experimental testing program of drained, undrained and unjacketed compression tests at 20°C and at 90°C. The poroelastic parameters of the material are determined and the effect of stress, pore pressure and temperature on them is evaluated. A phenomenon of degradation of elastic properties is observed in the test results. The microscopic observations showed that this degradation is caused by the microcracking of the material even under isotropic loading. The good compatibility and the consistency of the obtained poromechanical parameters demonstrate that the behaviour of the hardened cement paste can be described within the framework of the theory of porous media. The poro-mechanical tests are combined with an evaluation of the evolution of permeability of the cement paste under loading using a transient method. Deviatoric loading tests have also been performed to study damage under deviatoric stress. The effect of undrained heating on volume change and induced pore pressure increase is an important point to properly understand the behaviour and evaluate the integrity of an oil well cement sheath submitted to rapid temperature changes. This thermal pressurization of the pore fluid is due to the discrepancy between the thermal expansion coefficients of the pore fluid and of the solid matrix. A preliminary experimental and theoretical study has been performed on a granular rock. Careful analysis of the effect of mechanical and thermal deformation of the drainage and pressure measurement system has been performed and a simple method has been developed for the correction of the measured pore pressure. Then the effect of undrained heating is studied experimentally for a saturated hardened cement paste. The measured value of the thermal pressurization coefficient is equal to 0.6MPa/°C which shows that the changes in effective stress can be significant when the well is submitted to rapid temperature changes. The drained and undrained thermal expansion coefficients of the hardened cement paste are also measured in the heating tests. The anomalous thermal behaviour of cement pore fluid is back analysed from the results of an undrained heating test and is attributed to its confinement in very small pores.In addition to this work on the behaviour of cement paste, an experimental study on the effective stress law for the permeability of a limestone is performed and a conceptual model is proposed in relation with the microstructure of the rock.Dans un puits pétrolier, une gaine de ciment est coulée entre la roche réservoir et le cuvelage d'acier. Cette gaine de ciment a un rôle primordial dans la stabilité et l'étanchéité des puits pétroliers. Durant les différentes étapes de la vie d'un puits, depuis le forage jusqu'à l'exploitation et finalement l'abandon du puits, le ciment est soumis à différentes sollicitations mécaniques et thermiques. Ces sollicitations peuvent endommager le ciment et dégrader ses propriétés mécaniques et sa perméabilité et par conséquent modifier sa contribution dans la stabilité et l'étanchéité du puits. La connaissance du comportement de ce ciment dans des conditions de fond de puits (hautes températures, fortes pressions) et de son évolution au cours du temps est essentielle pour l'analyse de fonctionnement du puits pendant l'exploitation et aussi pour garantir son étanchéité pour le stockage et la séquestration des gaz à effet de serre dans des réservoirs pétroliers abandonnés. C'est dans ce but qu'est développée cette étude sur la caractérisation du comportement thermo-poro-mécanique des ciments pétroliers sous fortes contraintes pour des températures entre 20 et 90°C. Les paramètres poro-mécaniques du ciment et leurs variations avec l'état de contraintes et la température ont été évalués dans un programme d'essais de compression isotrope drainés, non drainés et sans membrane. Un phénomène de dégradation des propriétés élastiques a été observé dans les essais. Les observations microscopiques ont montré que cette dégradation est provoquée par la microfissuration du matériau y compris sous chargement isotrope. La bonne compatibilité et la cohérence des paramètres poro-mécaniques obtenus montrent que le comportement de ciment peut être décrit dans le cadre de la théorie des milieux poreux. Les essais poro-mécaniques ont été couplés avec une évaluation de la perméabilité du ciment sous chargement en régime transitoire. Des essais déviatoriques ont été également réalisés pour étudier l'endommagement du matériau sous chargement déviatorique. Lorsqu'un puits pétrolier est soumis à de rapides variations de températures, les déformations et la surpression interstitielle qui en résultent peuvent porter atteinte à l'intégrité du puits. Ce phénomène de pressurisation thermique induit lors d'un chauffage en conditions non-drainées est dû à la différence entre le coefficient d'expansion thermique du fluide interstitiel et celui de la matrice solide. Une étude préliminaire, théorique et expérimentale a été menée sur un grès. Les effets des déformations mécaniques et thermiques du système de drainage lors d'un essai de chauffage non-drainé ont été analysés et une méthode simple a été développée pour apporter une correction aux valeurs de pressions interstitielles mesurées. Le comportement thermique du ciment a été étudié expérimentalement dans les essais de chauffage drainés et non-drainés et le coefficient de pressurisation thermique ainsi que les coefficients d'expansion thermique drainé et non-drainé du ciment ont été évalués. Le coefficient de pressurisation thermique a été évalué à 0.6 MPa/°C, ce qui montre l'importance des changements de contraintes effectives que peut occasionner un brusque changement de température. L'anomalie du comportement thermique du fluide interstitiel du ciment a été attribuée à son confinement dans les pores de très petite taille et cette anomalie a été étudiée à partir des résultats expérimentaux. En complément de travail sur le comportement du ciment, une étude expérimentale a été menée sur la loi de contrainte effective qui contrôle la perméabilité d'un calcaire et un modèle conceptuel basé sur la micro-texture du matériau a été proposé