Evolution over time of physical and mechanical properties of materialsfor a shallow geothermal well
Évolution au cours du temps des propriétés physiques et mécaniques des matériaux cimentaires d’un puit géothermique basse énergie
Résumé
In low energy geothermal wells (up to 2000 meters deep), cement is used in the annular space, between the casing and surrounding geological formations. Its role is to ensure the zonal isolation, the mechanical strength of the layers and the protection of the casing. The quality and stability over time of these cements are important. Given the geothermal gradient, water circulations loaded in chemical elements in the aquifer and strong confining stresses due to the depth, cement hydration is likely to be significantly influenced. Indeed, these factors may in the long term contribute to premature degradation of the well. The objective of this work is to examine the effects of environmental conditions of geothermal wells (temperature, pressure and concentrations of NaCl) on the physical and mechanical properties of cement pastes and microstructural inverstigations. Several grouts were sampled on a geothermal project in Ile de France. On this project, the class G cement grout and cement with bentonite grout are used throughout the well. Hardened cement pastes prepared in the laboratory were studied using a methodology based on non-destructive (ultrasonic wave velocity, resonance frequency, permeability) and destructive measurements (Young's modulus, compressive strength, thermal conductivity). Thermal and physico-mechanical properties of hardened cement pastes from these measures were coupled with microstructural observations by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry. The results showed that the microstructural analyses concur with the physico-mechanical properties and are good indicators of the state of the cement in the well. This thesis proposes a reliable testing methodology. Indead, many tests and analyses provide relationships that predict the compressive strength of cement pastes a geothermal well. Finally, and irrespective of the environmental conditions applied, empirical relationships have been proposed. These link relations the results of non-destructive methods with those from destructive tests and can be used to determine the properties of cement pastes without carrying out destructive tests in geothermal wells
Tout au long d'un puits géothermique basse énergie (jusqu'à 2000 mètres de profondeur), du ciment est utilisé dans les espaces annulaires entre les tubages et les formations géologiques environnantes. Son rôle est de garantir les étanchéités, la tenue mécanique des couches et la protection du tubage. La qualité et la tenue dans le temps de ces ciments sont importantes. Compte tenu du gradient géothermique, des circulations d'eau chargée en éléments chimiques au sein de l'aquifère et des fortes contraintes dues à la profondeur, l'hydratation du ciment est susceptible d'être influencée significativement. En effet, ces facteurs peuvent à long terme contribuer à une dégradation prématurée du puits. L'objectif de ce travail est d'étudier les effets des conditions environnementales des puits géothermiques (la température, la pression et les concentrations en NaCl) sur les propriétés physiques et mécaniques des pâtes de ciment en passant par une étude microstructurale poussée. Pour cela, plusieurs coulis de ciment ont été échantillonnés sur un chantier géothermique en Ile de-France. Sur ce chantier, le coulis ciment de classe G et le coulis de ciment allégé en bentonite sont utilisés tout au long du puits. Les pâtes de ciment durcies réalisées en laboratoire ont été étudiées en utilisant une méthodologie basée sur des mesures non destructives (vitesse du son, fréquence de résonance, perméabilité) et destructives (module de Young, résistance à la compression, conductivité thermique). Les propriétés thermiques et physico-mécaniques des pâtes de ciment durcies issues de ces mesures ont été couplées à des observations microstructurales par diffraction de rayon X, par microscopie électronique à balayage et par porosimétrie par intrusion de mercure. Les résultats ont montré que les analyses microstructurales sont corrélables avec les propriétés physico-mécaniques et qu'elles sont de bons indicateurs de l'état de ces ciments dans les puits. Ce travail de thèse propose une méthodologie de mesure fiable. En effet, les nombreux essais réalisés et leurs analyses ont permis de déterminer les relations qui permettent de prédire la résistance à la compression des pâtes de ciment d'un puits géothermique. Enfin et quels que soient les paramètres environnementaux appliqués, des relations empiriques ont pu être proposées. Ces dernières, en reliant les résultats de méthodes non destructives avec ceux de méthodes destructives permettront de déterminer les propriétés des pâtes de ciment d'un puits géothermique sans passer par des essais destructifs
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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