Mod?lisation d'un ciment p?trolier depuis le jeune ?ge jusqu'? l'?tat durci : cin?tique d'hydratation et comportement porom?canique

par Marcos Samudio

Thèse de doctorat en G?otechnique

Sous la direction de Jean Sulem.

Soutenue le 20-12-2017

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ing?nierie et Environnement , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Djim?do Kondo.

Le jury était composé de Jean Sulem, Karen L. Scrivener, Patrick Dangla, Siavash Ghabezloo.

Les rapporteurs étaient Christian Hellmich, Gilles Pijaudier-Cabot.


  • Résumé

    La pr?diction des propri?t?s m?caniques des mat?riaux cimentaires n?cessite d'un mod?le int?grant l'hydratation progressive du mat?riau, le couplage entre la consommation d'eau et les contraintes et l'historique des charges appliqu?es. Ceci est particuli?rement important lors de la mod?lisation du comportement de la gaine de ciment des puits p?troliers qui est soumise, d?s son plus jeune ?ge, ? une large gamme de chargements m?caniques et thermiques qui pourraient avoir un effet n?gatif sur ses propri?t?s m?caniques. L?objectif de cette th?se est de fournir un cadre de mod?lisation pour le comportement hydro-m?canique d'une p?te de ciment p?trolier d?s son plus jeune ?ge jusqu'? son ?tat durci. Le manuscrit est divis? en deux parties. Partie I : cin?tique d'hydratation L??volution des propri?t?s physiques des mat?riaux cimentaires est contr?l?e par l'avancement des r?actions d'hydratation. Deux approches de mod?lisation sont pr?sent?es:- Un cadre th?orique pour la mod?lisation de l'hydratation du ciment est d?velopp? comme une extension des mod?les de nucl?ation et de croissance classiques. Le mod?le multi-composants propos? consid?re explicitement le ciment anhydre et l'eau comme des phases ind?pendantes participant ? la r?action. Un taux de croissance est introduit qui permet de repr?senter sous une forme math?matique unique la croissance lin?aire ainsi que la diffusion parabolique. La formulation introduit naturellement des param?tres des m?langes cimentaires tels que la composition de la poudre de ciment, les densit?s des diff?rentes phases, le rapport eau/ciment, le retrait chimique et les propri?t?s des hydrates. Les diff?rents m?canismes de contr?le de la r?action sont identifi?s sur la base du mod?le physique propos?.- Une loi g?n?rale de la cin?tique d'hydratation bas?e sur la th?orie des transformations en phase solide est propos?e. Cette formulation est compar?e aux lois d'?volution trouv?es dans la litt?rature et contribue ? fournir une explication physique qui pourrait aider ? la compr?hension de la cin?tique d'hydratation du ciment. Dans les deux cas, les mod?les cin?tiques sont cal?s sur une s?rie de r?sultats exp?rimentaux. Partie II : loi de comportement m?canique Le comportement m?canique de la p?te de ciment est d?crit dans le cadre des milieux poreux r?actifs. La p?te de ciment est mod?lis?e en tant que mat?riau poreux multi-phases avec une loi constitutive ?lasto-visco-plastique, dont les param?tres d?pendent du degr? d'hydratation. Le retrait chimique de la p?te de ciment et la consommation d'eau pendant l'hydratation sont pris en compte dans la d?termination des d?formations macroscopiques. L??volution des param?tres poro?lastiques de la p?te de ciment lors de l'hydratation est calcul?e ? l?aide d'un mod?le microm?canique. Une surface de charge asym?trique avec des seuils de compression et de traction est adopt?e pour le r?gime plastique, avec des m?canismes d??crouissage tenant compte ? la fois des d?formations plastiques accumul?es et du degr? d'hydratation. Le comportement visqueux est bas? sur les notions de la th?orie de solidification. Une courbe de r?tention d'eau est introduite pour tenir compte de la d?saturation potentielle du mat?riau lors de l'hydratation. Les param?tres du mod?le pour une p?te de ciment p?trolier classe G sont ?valu?s en simulant des exp?riences de chargement m?canique dans un dispositif sp?cialement con?u pour tester le comportement thermo-m?canique de la p?te de ciment d?s le d?but de l'hydratation. Le mod?le pr?dit avec une bonne pr?cision la r?ponse d'une p?te de ciment en cours d?hydratation lorsqu'elle est soumise ? divers chemins de chargement d?s son plus jeune ?ge. L'importance de l'histoire de chargement est mise en ?vidence, ainsi que la n?cessit? de la d?termination des contraintes effectives tout au long de la vie du mat?riau

  • Titre traduit

    Modelling of an oil well cement paste from early age to hardened state : hydration kinetics and poromechanical behaviour


  • Résumé

    The prediction of the performance of cement-based materials requires a holistic model integrating the progressive hydration of the material, the coupling between water consumption and strains, and the history of the applied loadings. This is particularly important when modelling the behavior of the cement sheath in oil wells which is subjected, from its earliest age and during its lifetime, to a wide range of mechanical and thermal loadings that could have a detrimental effect on its future mechanical properties. The aim of the present thesis is to provide a complete modelling framework for the hydro-mechanical behavior of an oil well cement paste from its earliest age to its hardened state. The manuscript is divided in two parts. Part I: Hydration kinetics The evolution of the most significant physical properties of cement-based materials is controlled by the advancement of the hydration reactions. Two different modelling approaches are presented:- A theoretical framework for the modelling of cement hydration is developed as an extension of classical nucleation and growth models. The proposed multi-component model explicitly considers anhydrous cement and water as independent phases participating in the reaction. We also introduce a growth rate that encompasses linear as well as parabolic diffusion growth in a single continuous mathematical form. The formulation naturally introduces some of the most relevant parameters of cement paste mixtures, such as the cement powder composition, mass densities of the different phases, water to cement ratio, chemical shrinkage and hydrates properties. The different rate-controlling mechanisms can be identified and interpreted on the basis of the proposed physical model.- A general hydration kinetics law based on the theory of solid phase transformations is proposed. This formulation is compared with the evolution laws found in the literature and helps providing a physical explanation that could shed light on the understanding of cement hydration kinetics. In both cases, the kinetic models are calibrated over a series of experimental results in order to properly evaluate the quality of the predictions. Part II: Mechanical constitutive law The mechanical behavior of cement paste is described in the framework of reactive porous media. The cement paste is modelled as a multi-phase porous material with an elastic-viscous-plastic constitutive law, with mechanical parameters depending on the hydration degree. Furthermore, the cement paste chemical shrinkage and pore water consumption during hydration are accounted for in the determination of the macroscopic strains. The evolution of the poroelastic parameters of the cement paste during hydration is calculated by means of a micromechanical upscaling model. An asymmetric yield surface with compressive and tensile caps is adopted for the elastoplastic regime, with hardening mechanisms considering both the cumulated plastic deformations and the hydration degree. The viscous behaviour is based on the notions of solidification theory. A water retention curve is introduced to account for the potential desaturation of the material during hydration. The model parameters for a class G cement paste are evaluated by simulating the results of mechanical loading experiments in a device specially designed for testing the thermo-mechanical behavior of cement paste from the early stages of hydration. The results show that the proposed model predicts with good accuracy the response of a hydrating cement paste when subjected to various loading paths from its early age. The importance of the loading history is outlined, as well as the need for the accurate determination of the effective stresses throughout the life of the material

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