Evolution of the Elastic Properties of an Oilwell Cement Paste at Very Early Age under Downhole Conditions: Characterization and Modelling

Évolution des propriétés élastiques d’une pâte de ciment pétrolier au très jeune âge dans des conditions HP/HT : caractérisation expérimentale et modélisation

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison cedex - France
² Université Paris-Est, Laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle,.MSME, UMR 8208 CNRS, 5 Boulevard Descartes, Champs sur Marne, 77454 Marne La Vallée Cedex 2 - France
³ Current address: Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique (LGCGM), 20 avenue de buttes de Coésmes, 35708 Rennes Cedex - France
e-mail: guy.bonnet@univ-paris-est.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

A multi-scale homogenization approach coupled with a hydration model is adopted to predict the bulk and shear moduli evolution of an oilwell cement paste at a very early age (up to one day). Calorimetric experiments were performed to be compared with the results of the kinetics model and also to study the pressure and temperature effects on the hydration kinetics. The homogenization model results are in agreement with the elastic moduli measurements obtained from propagation of ultrasonic waves.

Résumé

Une modélisation multi- échelle, couplée avec un modèle d’hydratation, est proposée pour prédire l’évolution des propriétés élastiques d’une pâte de ciment pétrolier au très jeune âge (jusqu’à un jour). Des résultats expérimentaux montrent que la pression appliquée (1-200 bar) pendant la prise a peu d’effet sur la cinétique d’hydratation contrairement à la température (20-60°C). Le modèle d’hydratation retenu a été validé par des mesures calorimétriques. Les résultats de porosité déduits de ce modèle d’hydratation sont d’ailleurs cohérents avec des mesures de la porosité connectée effectuées à différents degrés d’hydratation. La modélisation multi-échelle par homogénéisation prend en compte l’évolution des fractions volumiques des constituants de la pâte de ciment au cours de l’hydratation. Le développement des propriétés élastiques du ciment pétrolier au très jeune âge obtenues avec ce modèle est en bon accord avec les mesures obtenues par la propagation d’ultrasons.