· cas de système avec renouvellement du fluide
Bachu and Bennion (2009), étaient les premiers à avoir conduit des expériences de percolation réactive à travers des échantillons de ciment présentant initialement de microfissures ou des défauts de structures. Les auteurs ont effectué deux séries d’expériences en conditions de stockage (P = 28.9 MPa, T = 65°C, t = 90 jours). La première série d’expériences était réalisée en présence d’échantillons sains de ciment de classe G (non affecté par de la fissuration), représentatif d’un ciment de bonne qualité et exposés à une pression de CO2 de 15.1 MPa dissoute dans une saumure de salinité variable (15 g/L, 60 g/L, et 80 g/L de NaCl) représentant le fluide réservoir en déplacement. Les échantillons consistent en des disques de diamètre 2.3 cm de diamètre et d’épaisseur 2 cm. La deuxième série d’expériences a été conduite en utilisant des échantillons présentant des défauts de structures (microfissures ou interface entre deux matériaux de nature différente) : Différents cas ont été étudiés :
- Cas avec une bonne adhérence à l’interface ciment-acier - Cas présentant un gap entre la pate durcie et l’acier - Cas avec une large fracture
A noter que les investigations étaient focalisées uniquement sur l’évolution des propriétés de transport des matériaux étudiés au cours de la percolation.
Les résultats observés sur les échantillons de bonne qualité structurale ont montré que la carbonatation résultante de l’action du CO2 sur le ciment est un phénomène bénéfique en termes de réduction des propriétés de transfert (ici le cas de la perméabilité). En effet, la chute de perméabilité de 1.16x10-19m2 à 1x10-20m2 a été enregistrée au cours des cinq premiers jours qui ont suivi la mise en écoulement de la saumure saturée en CO2. La perméabilité de l’échantillon diminuait d’une manière lente et progressive, pour atteindre
Fig. 3.7 Evolution de la perméabilité en fonction du temps d’expérience, d’un échantillon non fracturé soumis à un flux de saumure riche en CO2. A gauche : évolution normale et à droite suivant une échelle logarithmique.
Les travaux de Scherer et al (2005) et de Duguid and Scherer (2010) en conditions dynamiques (ouverts), ont montré que la chute de la perméabilité suite à la carbonatation au cours de la percolation n’est pas automatique. En fait, le renouvellement du fluide acide sur le matériau cimentaire ne favorise pas la durabilité de la calcite précipitée.
Ils ont montré que la réaction du ciment au contact avec le CO2 s’effectuait de l’extérieur en direction de la zone non affectée. La surface de l’échantillon (couleur orange/brune) est caractérisée par une forte dissolution, alors que la couche de couleur blanche directement adjacente à la zone dissoute est moins épaisse, et constituée de carbonates de calcium. Un front de réaction s’observe entre la couche carbonatée et le matériau sain (voir figure 3.8). La chute de la perméabilité n’est donc possible que sous certaines conditions.
Fig. 3.8 : Structure développée sur un échantillon cylindrique soumis à une saumure riche en CO2
sous système ouvert (Duguid and Scherer, 2010
Dans le cas où le contact ciment-acier est de bonne qualité (aucun « gap » entre les matériaux), Bachu et Bennion, 2009 ont montré également que la perméabilité décroit en restant très faible, minimisant ainsi le risque de fuite du gaz à travers de telles interfaces. Toutefois, ils ont indiqué qu’en présence d’un large « gap » entre l’interface (ciment-acier) ou large micro-fracture sur le ciment (10µm et plus), aucune diminution de la perméabilité ne peut être observée, et le système continuerait à fuir indéfiniment.
Wigand et al, (2009) ont étudié un système constitué par un échantillon cylindrique de ciment de classe G (5.03cm par 2.02cm) initialement fracturé mis, au contact d’échantillon de schiste en poudre (autour d’un fritté d’inox), pour simuler l’interface ciment-couverture en condition de stockage de CO2. L’expérience était conduite à 19.9 MPa et 54°C pendant 14 jours en présence d’un flux enrichi en CO2 ou à l’état supercritique. Le débit de percolation du fluide était très faible de l’ordre de 0.00015 ml/min. Aucune information n’a été fournie sur l’ouverture initiale de la fracture, ni sur l’évolution de la perméabilité de ladite fracture.
Les résultats indiquent que la précipitation de la calcite a eu lieu au sein même de la fracture. On peut supposer que les carbonates précipités auraient fermé l’ouverture de la
statiques (« batch ») induisant une cicatrisation de la fissure, comme observée par Liteanau et Spiers (2010). Cependant la cristallisation de la calcite au sein de la fracture aurait entrainé des ouvertures locales de la fracture entre 2.5 µm à 56.7 µm. Si on considère que la fracture s’étend sur une largeur de 2.02 cm, le nombre de Péclet correspondant est de 0.1).
Huerta et al. (2011) ont été les premiers à avoir publié des travaux sur la fracturation des ciments avant exposition sous conditions dynamiques. Cependant leur étude était réalisée avec une pression de confinement latéral, ce qui a induit un déplacement des épontes au cours de la réaction. Les auteurs ont étudié l’évolution de l’ouverture hydraulique en cours d’expérience. L’augmentation du confinement a sans doute entrainé la diminution de l’ouverture de la fracture liée effectivement aux contraintes exercées par la force de confinement. Dans cette expérience, les auteurs ont utilisé l’acide chlorhydrique à la place du CO2. Dans ces conditions, le fluide injecté est plus agressif qu’en présence de CO2 dissous (acide fort, pH < 3). L’usage de HCl ne semble pas se justifier dans des conditions de dégradation in-situ, sauf pour accélérer la cinétique de dissolution, de plus de telles conditions ne permettent pas la précipitation couplée de carbonate de calcium. Les auteurs ont montré que l’écoulement est localisé sur un chemin préférentiel situé au milieu de la fracture (fig. 3.9). Yalcinkaya et al. (2011) ont également étudié la dissolution d’une fracture simple soumise à une pression partielle de CO2 dans des conditions loin de l’état critique (P = 4.3 MPa). A partir de la micrtomographie par rayon X, ils ont décrit les différentes régions développées par la réaction : la zone interne représentant le ciment initial non altéré et deux zones de transition situées à proximité de la fracture.
Fig. 3.9 : Surface de la fracture d’un échantillon de ciment de classe G soumis à une concentration de HCl : on constate que la dissolution a lieu suivant un chenal préférentiel. A noter la couleur brune (à gauche) caractéristique de la dissolution. La couleur grise représente les zones de l’échantillon n’ayant pas réagies (Huerta, 2011).
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3.5 Dégradation des matériaux cimentaires en présence du CO2 : cas des