Cement-Polymer Composites for Oilwell Cementing
Composites ciment-polymère pour la cimentation des puits pétroliers
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Institut français du pétrole, IFP, Direction Chimie et Physico-Chimie Appliquées, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
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Eliokem, 14 avenue des tropiques, 91955 Courtaboeuf Cedex - France
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Laboratoire de Rhéologie, Université de Bretagne Occidentale, 6 avenue Le Gorgeu, 29285 Brest Cedex - France
Corresponding authors: achougnet@clamart.oilfield.slb.com annie.audibert-hayet@total.com michel.moan@univ-brest.fr eric.lecolier@ifp.fr bertrand-guichard@eliokem.com
The selection of an optimal cementitious material is critical to maintain zonal isolation for the lifetime of oil & gas or gas storage wells not only for primary cementing but also after well abandonment. Polymer powder/cement composites present good mechanical and durability properties since polymer latex promotes improved adhesion and flexibility to the hardened cement paste. So, for well constructions in aggressive environment, polymer powder/cement composites would be good candidates. During the well construction, the cement slurry placement strongly depends on its rheological behaviour. In this paper, we studied rheological properties of polymer powder/cement composite suspensions: they present a transition from a gel to a liquid behaviour in oscillatory shear. The replacement of cement particles by polymer particles induces a decrease of the storage modulus in the gel state. The good quality of the polymer particle dispersion and their high affinity for cement particles were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). Solid state NMR (29Si and 27Al) and calorimetry allowed to highlight the influence of the polymer addition on both the hydration and hardening of the cement matrix. All these results helped us to understand the relations between the slurry composition, its rheological behaviour and the properties of the hardened materials which allowed us to design new cementing materials.
Résumé
La durabilité des matériaux utilisés pour les sondages pétroliers est une question essentielle pour garantir l'étanchéité à long terme des puits. Des composites ciment/polymère présentent de bonnes propriétés mécaniques et de durabilité : il est en effet connu que l'ajout de latex améliore l'adhésion ou la flexibilité des pâtes de ciment durcies. Ainsi, des composites ciment/polymère apparaissent comme de bons matériaux de cimentation de puits dans des environnements sévères. Lors de la construction d'un puits, le placement du laitier de ciment dépend très fortement de ses propriétés rhéologiques. Dans cet article, nous avons étudié les propriétés rhéologiques de suspensions composites à base de ciment et de poudre de polymère : nous montrons que sous cisaillement oscillatoire, ces suspensions présentent une transition d'un état gélifié vers un état de type liquide. Le remplacement d'une partie des particules de ciment par des particules de polymère induit une baisse du module de conservation de l'état gel. La bonne dispersion des particules de polymères et leur forte affinité pour les grains de ciment ont été observées par microscopie électronique. Des expériences de spectroscopie RMN et de calorimétrie ont mis en évidence une influence de l'addition de particules de polymères sur les mécanismes d'hydratation et de durcissement de la matrice cimentaire. L'ensemble des résultats acquis a amélioré notre compréhension des relations entre la composition du coulis, son comportement rhéologique et les propriétés du matériau durci, ce qui nous a permit de formuler de nouveaux matériaux de cimentation.
© IFP, 2009