Performance et durabilité de traitements de puits de stockage de gaz à base de coulis de géopolymères

par Baptiste Marchand

Thèse de doctorat en Mécanique, génie civil, énergétique, matériaux

Sous la direction de Catherine A. Davy et de Franck Agostini.

Soutenue le 04-12-2019

à l'Ecole centrale de Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Unité de catalyse et chimie du solide (UCCS) (laboratoire) et de Unité de Catalyse et de Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Skoczylas.

Le jury était composé de Laurent Jeannin, Cyrille Albert-Mercier.

Les rapporteurs étaient Sylvie Rossignol, Martin Cyr.


  • Résumé

    L’utilisation des géopolymères sous forme de coulis est investiguée dans le contexte des venues de solides dans les puits de stockage de gaz naturel. Il s’agit à la fois de consolider le massif de stockage, sans impacter significativement ses capacités de production de gaz. Les venues de solides sont, actuellement, prévenues par des solutions chimiques qui ont une efficacité limitée dans le temps et en présence d’eau.Nous avons mis au point un sable compacté (analogue au grès des réservoirs), et adapté une formulation de géopolymère (métakaolin activé au silicate de soude) de référence (1 Al2O3, 3,6 SiO2, 1 Na2O, 11 H2O). Nous avons dilué cette formulation pour obtenir une viscosité du même ordre que celle de l’eau. La granulométrie de la poudre commerciale a été affinée par broyage en phase humide, afin de garantit une bonne injectabilité au travers du sable compacté.À une échelle centimétrique tout d’abord, l’impact des coulis sur la consolidation et sur la perméabilité au gaz du sable sont quantifié par un essai de fluidisation. La résistance à l’eau des coulis de géopolymères a aussi été prouvée.À une échelle pluri-centimétrique, l’adéquation des coulis est quantifiée via un dispositif expérimental d’essai triaxial à rupture et par une mesure de perméabilité au gaz avant et après consolidation par le coulis.Les résultats obtenus sont concluants. L’impact des coulis de géopolymère sur la perméabilité au gaz du sable compacté est inférieur à 10%, comme requis par le cahier des charges industriel. La consolidation par coulis de géopolymère s’est révélée supérieure, de façon significative, à celle d’une solution chimique déjà utilisée in situ (polymère Polyacrylamide).

  • Titre traduit

    Formulation of geopolymer cement grouts for enhanced performance and durability of gas storage sandstones


  • Résumé

    The use of geopolymer cements is investigated as grouts in the industrial context of sand production from natural gas storage wells. The aim is to reinforce the sandstone storage pocket, without impairing its gas transport ability. Sand production is currently hindered by chemical methods only efficient over a limited timeframe and in the absence of underground water seepage or brine.A compacted sand medium has been developed, which is analogous to in situ sandstones. A reference geopolymer cement has been adapted from a stoichiometry of (1 Al2O3, 3.6 SiO2, 1 Na2O, 11 H2O), made with sodium silicate alkali-activated metakaolin. The grout has been diluted to reach a viscosity on the order of that of water. The metakaolin powder granulometry has been refined by wet grinding, in order to guarantee adequate injectability of the geopolymer solid-liquid suspension.At a centimeter scale, the impact of geopolymer grouts has been quantified on both its consolidation ability and its gas permeability, using a fluidization experiment. The water resistance of geopolymer grouts has been proven at this scale.At a multi-centimeter scale, the adequacy of our geopolymer grouts is quantified using an experimental set-up developed from the typical triaxial failure test in soil mechanics. It follows a gas permeability test of compacted sand, before and after consolidation by the geopolymer grout. Our results have proven conclusive. In particular, the impact of geopolymer grouts is smaller than 10% on gas permeability, as required by the industrial specifications. Consolidation by geopolymer grouts is also significantly better than an existing chemical grout solution (based on Polyacrylamide).


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