Chapitre 5 : Résultats d’optimisation de coulis à l’échelle

2- Effet de la mise en oeuvre

L’effet des principaux paramètres de formulation sur le traitement des sables ayant été étudié, il est utile d’évaluer l’effet de la mise en œuvre du coulis, et en particulier du séchage du MK après broyage, avant son utilisation dans le coulis, et l’effet du mode de flushing.

2.1- Effet du séchage de la poudre

Comme nous venons de le voir, la quantité de métakaolin dans le coulis a un impact sur la perméabilité du l’échantillon. Pour ces essais, nous avions supposé que la préparation de la poudre, qui comporte un séchage à 105°C avant mélange dans la solution activatrice, ne provoque pas d’agglomération des particules. Le Chapitre 4 a montré sur des échantillons de volume réduit que la granulométrie de la poudre de MK séchée, ou utilisée sans séchage, présente des diamètres d50 à 50% de la distribution volumique de grains très proches, et il en est de même pour les diamètres d10 et d90. A la plus grande échelle du coulis, testé pour consolider des échantillons de sable centimétrique, il est utile de vérifier que ce résultat reste valable.

Nous avons donc vérifié si la façon dont est préparé le coulis a ou non un impact sur la perméabilité des échantillons. Pour cela, nous avons comparé trois mises en œuvre différentes :

(1) La poudre séchée ou « classique », obtenue à stabilisation de masse à 105°C de la suspension issue du broyage, avant de préparer de coulis.

-20 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 mc /m ci (% ) Temps de cure (j) PAM 20°C SB 20°C BH60-4h 0,5% 20°C BH60-4h 1% 20°C BH60-4h 2% 20°C BH60-4h 3% 20°C

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(2) La poudre non séchée (NS). Ici, la suspension obtenue après broyage est directement mélangée au silicate de soude pour réaliser le coulis. La formulation est ajustée pour tenir compte de la teneur en eau de la suspension. Cela exige de prélever une partie de la suspension pour mesurer sa teneur en eau, ce qui est assez fastidieux.

(3) La poudre passée aux ultrasons (US). Il s’agit, comme dans le cas (1), de poudre séchée à 105°C. Dans ce mode de préparation, on place le coulis que l’on vient de fabriquer pendant 5 minutes aux ultrasons, puis on le mélange pendant 25 minutes au barreau aimanté (au lieu de 30 minutes d’agitation au barreau aimanté dans la mise en œuvre classique).

La comparaison est faite sur un coulis à 15 % en masse de métakaolin broyé pendant 4 heures. En effet ce coulis peut avoir une perméabilité de l’ordre de 10-12 m², c’est-à-dire inférieure de plus de 10% à celle du traitement au PAM (malgré une valeur moyenne adéquate de 1.5 10-11 m2), associée une pression maximale de l’ordre de 3460 mbars, voir Figure 99 et Figure 100.

La Figure 99 montre les perméabilités au gaz moyennes, minimales et maximales, pour quatre échantillons (trois pour 15% MK NS) en fonction du type de mise en œuvre : classique (15%), NS (15% NS) et US (15% US). Le flushing est immédiat, et la cure est de 24 heures à 70°C puis 6 jours à 20°C. Les débits maximaux de gaz sont aussi représentés. La Figure 100 présente les pressions maximales d’injection associées. Le débit de gaz inférieur à 15 ln/min pour 15% NS est dû à une pression de gaz supérieure à 5000 mbars, ce qui a nécessité d’arrêter l’essai.

La perméabilité moyenne est plus élevée lorsqu’on sèche la poudre avant emploi : elle vaut 1,5.10-11 m² pour la mise en œuvre classique (15%), 9,7.10-12 m² pour 15% US et 4,3.10 -12 m² pour 15 NS. Le passage aux ultrasons du coulis, fait à partir de poudre séchée, a pour effet de diminuer la perméabilité moyenne par rapport à la méthode « classique », mais la différence est limitée. La diminution de perméabilité moyenne (par rapport à la méthode classique) est beaucoup plus importante si on ne sèche pas la poudre après broyage. Cet effet est attribué à un comportement spécifique des particules dans la suspension après broyage (floculation plus faible en particulier), plus propice à leur agglomération lors de l’injection du coulis, que pour les poudres séchées.

Il y a également une plus grande variabilité de la perméabilité lorsqu’on ne sèche pas la suspension, attribuée aux mêmes effets d’agglomération des particules, plus prononcés dans ce cas. Ainsi, les perméabilités minimales pour 15% et 15% US sont égales (7,1.10-12 m²) et celle pour 15% NS est inférieure, à une valeur de 1,7.10-12 m². Les perméabilités maximales sont de 3,5.10-11 m² pour 15%, 1,4.10-11 m² pour 15% US et 7,8.10-12 m² pour 15% NS.

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Figure 99 : Perméabilité au gaz pour des coulis de géopolymère à 15% MK et broyage humide pendant 4 heures, en fonction de la méthode de mise en œuvre du coulis : 15% lorsqu’on sèche le MK broyé, 15% NS lorsqu’on ne le sèche pas et 15% US lorsqu’on sèche et passe le coulis aux ultrasons. Cure de 24h à 70°C puis 6 j à 20°C. Valeurs minimales, moyennes et maximales pour 4 échantillons (3 pour 15% NS). Les débits sont représentés par des points en jaune.

Figure 100 : Pression d’injection pour des coulis de géopolymère à 15% MK et broyage humide pendant 4 heures, en fonction de la méthode de mise en œuvre du coulis : 15% lorsqu’on sèche le MK broyé, 15% NS lorsqu’on ne le sèche pas et 15% US lorsqu’on sèche et passe le coulis aux ultrasons. Cure de 24h à 70°C puis 6 j à 20°C. Valeurs minimales, moyennes et maximales pour 4 échantillons (3 pour 15% NS). Les débits sont représentés par des points en jaune.

0 3 6 9 12 15 1E-12 1E-11 1E-10 15% 15% NS 15% US D ébi t (ln /m in ) P erm éabi lité (m ²) Min Moy Max débit 0 3 6 9 12 15 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 15% 15% NS 15% US D ébi t (ln /m in ) P ressio n (m b ar) Min Moy Max

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Au vu de ces résultats, nous avons conclu que la mise en œuvre a un impact sur la perméabilité au gaz des coulis. Bien que nécessitant une étape supplémentaire, la mise œuvre classique, avec séchage de la poudre broyée par la méthode humide, qui sera employée dans la suite du manuscrit, est celle qui fait chuter le moins la perméabilité au gaz, parmi les trois modes de préparation étudiés.

Étude complémentaire pour la suspension non séchée (NS)

La diminution de perméabilité au gaz lorsqu’on utilise la poudre non séchée après broyage nous a paru inattendue, d’autant que lors des mesures de granulométrie laser, on n’a pas observé de différence importante des d50 entre la poudre séchée et non séchée (cf Chapitre 2, partie 4.1.3).

Nous avons donc mesuré si cette diminution de perméabilité, liée à la mise en œuvre NS, est présente à d’autres concentrations en métakaolin (3 et 7%).

La Figure 101 représente les perméabilités moyennes et leurs écarts min/max pour des échantillons traités par des coulis à 3, 7 et 15%, avec une mise en œuvre classique ou non séchée (NS). Le broyage du métakaolin est de 4 heures. Le flushing est immédiat et la cure des sables traités est de 24 heures à 70°C suivie de 6 jours à 20°C. Les débits de gaz sont aussi représentés. Le graphique avec les pressions maximales de gaz associées est en Annexe 3. Pour les coulis à 3 et 7%MK, contrairement au coulis à 15%MK, il n’y a pas de différence significative de la perméabilité au gaz, que la poudre utilisée ait été séchée ou pas.

Figure 101 : Perméabilité au gaz pour des coulis de géopolymères avec une mise en œuvre classique (hachures verticales) ou NS (couleurs unies) en fonction de la quantité de métakaolin : 3, 7 ou 15%. Le MK est broyé pendant 4 heures. Cure de 24h à 70°C puis 6 j à 20°C. Valeurs moyennes et barres d’erreur min/max pour 4 échantillons (3 pour 7% classique et 15% NS). Les débits sont représentés par des points en jaune.

Une des hypothèses avancées pour expliquer cet impact sur la perméabilité, liée à la mise en œuvre NS à partir d’une quantité de MK supérieure à 7%, est que le coulis n’a plus la

0 3 6 9 12 15 1,E-12 1,E-11 1,E-10 3% 7% 15% D ébi t (ln /m in ) P erm éabi lité (m 2 ) Classique NS Débit

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même viscosité, ni les mêmes compositions de ses ingrédients de départ, et commencerait peut-être même à précipiter.

En effet, lorsqu’on utilise la poudre MK broyée encore humide, on met moins d’eau dans la solution basique qui servira à faire le coulis, pour tenir compte de l’eau présente dans la suspension. La solution basique obtenue est alors plus concentrée en silicates et en Na2O. L’amorçage de la réaction de géopolymérisation peut être accéléré par cette concentration plus élevée.

Lors d’essais préliminaires, nous avions constaté que le mélange de silicate de soude et de soude sans ajout d’eau se fige en quelques heures, même sous agitation.

Il est donc possible que la faible plus quantité d’eau, utilisée pour fabriquer la solution basique du coulis à 15% MK dans le cas NS, ne soit pas suffisante pour empêcher à la solution basique de réagir (en devenant rapidement plus visqueuse ou plus réactive avec le MK).

Une autre hypothèse est que la tendance à s’agglomérer et à provoquer un bouchage, plus prononcés pour la poudre non séchée, sont moins significatifs à 3 ou 7%MK qu’à 15%, du fait d’une proportion plus faible de particules solides.

2.2- Effet du flushing

Lors des essais en laboratoire, la pression d’air exercée sur le coulis lors du flushing n’est pas constante : elle est maximale en haut de l’échantillon et minimale en bas. Cette différence de pression peut entrainer un gradient de saturation résiduelle en coulis dans l’échantillon. On peut avoir moins de saturation en coulis en haut par rapport au bas de l’échantillon. De ce fait, il pourrait y avoir un gradient de perméabilité au gaz entre le haut de l’échantillon (avec une perméabilité plus élevée) et le bas (perméabilité plus faible).

Afin de contrôler cet effet spécifique aux conditions expérimentales en laboratoire, nous avons, sur deux échantillons ayant déjà passé l’essai de fluidisation, enlevé les extrémités (basse puis haute) avant de mesurer à nouveau sa perméabilité au gaz par l’essai de fluidisation. Les deux échantillons (Ech1 et Ech2) sont traités par un coulis de géopolymère à 20% MK avec un broyage humide de 6 heures. La cure est de 24 heures à 70°C puis 6 jours à 20°C. Les extrémités sont découpées avec une scie à fil diamanté. De cette façon, aux extrémités basses, 7,7mm et 6,2 mm de hauteur sont retirés des Ech1 et Ech2 respectivement, et aux extrémités hautes, ce sont des coupes de 2,3 et 2,5 mm de hauteur respectivement.

La Figure 102 présente les perméabilités au gaz des échantillons entiers, puis sans l’extrémité basse (a priori plus dense), puis sans les deux extrémités.

Après avoir enlevé l’extrémité basse, nous observons une légère diminution de la perméabilité pour les deux échantillons : elle passe de 5,5.10-12 m² à 4,2.10-12 m² pour Ech1 et de 5,9.10-12 m² à 4,3.10-12 m² pour Ech2. Il est possible que le sciage ait rendu l’extrémité basse de l’échantillon moins perméable qu’avant la découpe, expliquant ainsi cette diminution. Par contre, l’enlèvement de la partie supérieure, après la partie basse, ne modifie plus significativement la perméabilité au gaz.

Ces observations ne peuvent s’expliquer par un gradient de concentration de coulis dans l’échantillon, puisqu’on attend un coulis plus concentré dans le bas que dans le haut (directement au contact de la soufflette d’air comprimé). Cela signifie qu’après flushing à

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partir d’une extrémité, il n’y a pas d’effet de gradient de concentration du coulis à l’échelle centimétrique.

Figure 102 : Perméabilité au gaz de deux échantillons traités par un coulis de géopolymère à 20%MK, pour un MK broyé 6 heures en phase humide. Les échantillons sont testés entiers, puis sans l’extrémité basse (bas), puis sans l’extrémité haute (bas et haut). Cure de 24h à 70°C puis 6 j à 20°C.

Un autre effet doit être pris en compte : lors de l’injection du coulis, le sable filtre (retient) le métakaolin du coulis, voir Figure 81. Le flushing pourrait être rendu moins efficace si des particules de métakaolin bouchent les pores du haut de l’échantillon, ce qui peut provoquer une diminution de la perméabilité.

Pour tâcher de limiter cet effet, nous avons testé un flushing par les deux extrémités (ou faces) de l’échantillon (2f) successivement. L’idée est de libérer les pores bouchés par les particules de métakaolin par une poussée d’air en sens inverse. Le flushing effectué ici est soit (1) à partir d’une seule extrémité pendant 20 secondes, soit (2) à partir d’une extrémité pendant 10 secondes puis à partir de la deuxième pendant 10 secondes également (flushing 2f).

Le flushing 2f est testé sur des coulis de géopolymère à 15%MK après broyage humide de la poudre pendant 4 heures. Ce choix de coulis est fait pour que les particules de MK soient suffisamment nombreuses, et qu’ainsi la filtration soit plus facilement observable.

La perméabilité des échantillons après flushing 2f est en moyenne 2 fois plus faible que celle après un flushing classique, à partir d’une seule extrémité (Figure 103). La perméabilité maximale des échantillon 2f est équivalente à la perméabilité moyenne des échantillons après

flushing classique soit 7.7x10-12 m² (contre 8.8 x10-12 m² en moyenne pour le flushing classique).

Dit autrement, le fait de flusher un échantillon par les deux faces engendre une diminution de la perméabilité par rapport à un flushing par une seule face : on a obtenu l’inverse de l’effet escompté. Ainsi, l’effet de la filtration du métakaolin par le sable ne peut

1,E-12 1,E-11 1,E-10 1 2 P erm éabi lité (m ²) Initial bas bas et haut

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pas être amoindri par un flushing par les deux faces. Lorsque le flushing 2f est employé, on peut avoir une redistribution plus importante du coulis, par rapport au flushing par une face, ce qui peut expliquer la diminution de perméabilité.

Figure 103 : Perméabilité au gaz pour des coulis de géopolymère à 15%MK, en fonction du type de flushing : sur une extrémité (15%) ou deux extrémités (15% 2f). Broyage du MK pendant 4 heures et cure de 24h 70°C puis 6 jours à 20°C. Valeurs minimales, moyennes et maximales pour 4 échantillons.

Conclusion : À partir de ces résultats, nous avons confirmé que le flushing sur une seule extrémité est suffisant à stabiliser le coulis dans l’échantillon. Dans la suite du manuscrit, nous utiliserons uniquement ce mode de flushing.

Dans le document Performance et durabilité de traitements de puits de stockage de gaz à base de coulis de géopolymères (Page 144-150)