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CELLULE ET PROCEDE DE TEST D'UNE COMPOSITION DURCISSANTE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une cellule de test d'une composition
durcissante dans laquelle on teste l'intégrité d'un échantillon obtenu par
durcissement de la composition durcissante sous pression et température.
L'invention concerne également un procédé de test mis en uvre au moyen
d'une telle cellule, le procédé visant notamment à tester l'intégrité d'un
échantillon soumis à au moins une charge et/ou décharge thermique et/ou
mécanique.
L'invention s'applique en particulier aux compositions durcissantes
utilisées dans le domaine de l'exploitation pétrolière, et tout
particulièrement
aux compositions de ciment pour la cimentation des cuvelages.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
La cimentation d'un cuvelage dans un puits pétrolier consiste à placer
une gaine de ciment dans l'annulaire entre l'extrados du cuvelage et la
formation (c'est-à-dire l'ensemble des couches ou portions de terrain qui
forme le sous-sol) ou entre l'extrados du cuvelage et un autre cuvelage.
Cette gaine de ciment a un rôle primordial dans la stabilité et l'isolation
des
puits pétroliers.
La gaine de ciment est obtenue par pompage d'un coulis de ciment
fabriqué à partir de ciment, d'eau et d'adjuvants. Ce coulis de ciment est à
l'état liquide lorsqu'il est pompé. L'hydratation des particules de ciment
conduit le coulis liquide vers un état solide.
La gaine de ciment est exposée à diverses sollicitations mécaniques
et thermiques, également appelées conditions du puits, durant la vie du puits.
Ces sollicitations peuvent provenir d'opérations menées dans le puits (tests
en pression, changement de boue, stimulations froides et chaudes,
production des réserves, injection de vapeur...) ou de phénomènes prenant
naissance directement dans le sous-sol (compaction du réservoir,
séismes...) et ce jusqu'après son abandon. Ces sollicitations peuvent
endommager le matériau constitutif de la gaine de ciment, dégrader ses
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propriétés mécaniques et hydrauliques et, par conséquent, modifier sa
contribution à la stabilité et à l'étanchéité du puits.
La gaine de ciment a pour objectif de maintenir le cuvelage en positon
et d'empêcher la communication des différentes couches de formation entre
elles et avec la surface. Pour ce faire, la gaine de ciment doit adhérer au
cuvelage. En effet, en cas de perte d'adhérence, il se crée un chemin
préférentiel permettant une fuite entre les différentes couches de formation
entre elles et la surface.
Il est connu du document A singular methodology to design cernent
sheath exposed to steam stimulation , A. Garnier et Al., SPE/PS/CHOA
International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium, 2008, une
installation de test d'intégrité de ciments. Cette installation consiste
essentiellement en une gaine de ciment formée autour d'un morceau de
cuvelage métallique qui est ensuite chauffé. Le ciment, liquide, est coulé
entre le cuvelage et un cadre en carton ou un moule en résine. Après que le
ciment ait pris, le cadre en carton est retiré et le cuvelage avec sa gaine en
ciment est placé dans un container. De l'eau est versée dans le container
jusqu'à recouvrir la gaine de ciment. De l'huile est versée dans le cuvelage
métallique, à l'intérieur duquel sont ménagés un mélangeur et une résistance
électrique. Des contrôleurs et des moyens d'acquisition de données sont
ajoutés, ainsi que des capteurs de température pour l'huile dans le cuvelage
métallique et pour l'eau dans le container.
Une installation similaire est utilisée dans le document Designing
and testing cernent system for SAGD application , R. Patil et al., Society of
petroleum engineers, 2010 SPE 134169, pour étudier l'intégrité
d'échantillons de ciment soumis à des charges thermiques cycliques.
Cependant, dans le cas de cette installation, l'échantillon de ciment
est placé à l'air libre (c'est-à-dire qu'il est soumis à une pression de 1 bar
et
une température de 20 C) entre sa fabrication et la mise en place dans le
container.
Cette installation ne permet donc pas d'effectuer des tests
mécaniques sur des gaines en des matériaux obtenus par durcissement de
compositions durcissantes (et notamment de compositions de ciment) dans
les conditions très spécifiques que sont celles rencontrées dans les puits, en
particulier dans les puits d'une profondeur de plus de 50m, à savoir une
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absence d'air et une pression élevée. Ces matériaux sont en effet très
différents de ceux obtenus par le durcissement de compositions durcissantes
du même type dans des puits de plus faible profondeur (pression proche de
1 bar et une température proche de 20 C).
Cependant, la connaissance du comportement des gaines de ciment
dans les conditions de puits et de l'évolution de ce comportement au cours
du temps est essentielle pour l'analyse du fonctionnement du puits pendant
son forage, son exploitation et pour garantir son rôle d'isolation des
différentes couches de la formation. Par conséquent, il existe un besoin de
disposer d'une nouvelle technique de test d'échantillons de gaines de ciment
(ou d'autres compositions durcissantes) ne présentant pas les inconvénients
des installations décrites ci-dessus. En particulier, il existe un besoin de
disposer d'une cellule de test permettant d'effectuer des tests d'échantillons
de gaines représentatives des gaines réelles, notamment dans la forme, en
conditions de puits pendant le durcissement voire au-delà, sans repasser par
les conditions atmosphériques de température et de pression.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu une cellule de test d'une
composition durcissante, comprenant :
¨ une enceinte de confinement ;
¨ un moule adapté à recevoir un échantillon de composition
durcissante, disposé dans l'enceinte de confinement et
comprenant :
= une enveloppe interne souple ;
= une crépine externe rigide adaptée à être plaquée contre
l'enveloppe interne de façon amovible ;
¨ des moyens de compression de l'échantillon par injection d'un
fluide dans l'enceinte de confinement autour du moule.
De préférence, la cellule selon l'invention présente une ou plusieurs
des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
¨ la cellule comprend un noyau de moulage à l'intérieur du moule,
de préférence formé par une portion de cuvelage d'un puits de
forage ;
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¨ le moule et, le cas échéant, le noyau de moulage sont de forme
cylindrique ;
¨ la cellule comprend des deuxièmes moyens de compression de
l'échantillon par injection d'un fluide à l'intérieur du noyau de
moulage ;
¨ la cellule comprend des moyens de chauffage de l'échantillon ;
¨ la cellule comprend des moyens de chauffage du noyau de
moulage ;
¨ l'enveloppe interne souple est en polytétrafluoroéthylène ;
¨ la crépine est formée d'une pluralité de portions angulaires de
cylindre qui se chevauchent partiellement ;
¨ chaque portion angulaire présente une première et une deuxième
extrémités, la première extrémité d'une portion angulaire étant
superposée, radialement à l'extérieur, avec la deuxième extrémité
d'une portion angulaire voisine ; et
¨ la cellule comprend un ou plusieurs capteurs acoustiques, de
déplacement, de pression, de résistivité électrique et/ou de
température.
L'invention concerne également un procédé de test d'une composition
durcissante, comprenant :
a) la fourniture d'une composition durcissante ;
b) la coulée de la composition durcissante dans le moule d'une
cellule telle que décrite ci-avant dans toutes ses combinaisons ;
c) le durcissement complet ou partiel de la composition durcissante
en un échantillon, dans le moule, à une pression de durcissement
contrôlée ;
d) le test de l'intégrité de l'échantillon soumis à au moins une charge
et/ou décharge thermique et/ou mécanique.
De préférence, le procédé selon l'invention présente une ou plusieurs
des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
¨ les températures de l'échantillon et/ou du noyau de moulage, le
cas échéant, sont régulées pendant au moins l'une des étapes b),
c) ou d) ;
¨ le moule est souple par rapport à l'échantillon postérieurement à
l'étape c) ;
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¨ la pression de test est contrôlée par injection d'un fluide à
l'intérieur du noyau de moulage et/ou par une contrainte exercée
sur l'échantillon selon un axe principal du moule et/ou par injection
d'un fluide de confinement dans l'enceinte de confinement
entourant le moule ;
¨ la composition durcissante est choisie parmi les compositions de
gels, de résines, de boues et de liants hydrauliques, et est de
préférence une composition comprenant de l'eau et un liant
hydraulique, de manière plus particulièrement préférée une
composition comprenant de l'eau et du ciment ;
¨ la température de l'échantillon est régulée lors de l'étape de
durcissement et/ou lors de l'étape de test, de préférence en
maintenant l'échantillon en conditions adiabatiques ; et
¨ l'étape de test comprend la détection de la rupture de l'échantillon.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état
de la technique. Elle fournit plus particulièrement une cellule et un procédé
permettant d'effectuer des tests d'intégrité d'un échantillon de gaine
représentatif d'une gaine réelle, notamment dans la forme, en conditions de
puits pendant le durcissement (notamment pendant la prise dans le cas du
ciment) ou au-delà, sans étape perturbatrice de déchargement.
Ceci est accompli grâce à l'utilisation d'une cellule de test comprenant
un moule qui est rigide lors du durcissement de l'échantillon, pourvu de
moyens de compression de l'échantillon à la fois pour une étape de
durcissement et pour une étape de test.
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente
également une ou de préférence plusieurs des caractéristiques
avantageuses énumérées ci-dessous.
¨ La rigidité du moule lors de l'étape de durcissement permet d'éviter
une déformation de l'échantillon lors de cette étape et garantit
l'obtention de la forme souhaitée.
¨ Le moule devient souple lors de l'étape de test. Cela permet
d'effectuer un test sur l'échantillon.
¨ La température de l'échantillon peut être régulée pendant le
durcissement et/ou pendant le test de l'échantillon. On peut
également opérer en conditions quasi-adiabatiques.
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¨ L'invention permet par exemple de tester des échantillons
cylindriques d'environ 25 mm de diamètre et environ 1000 mm de
hauteur, à une pression de confinement allant jusqu'à 200 bars et
à une température allant jusqu'à 250 C.
¨ La cellule pourrait en outre être équipée de différents capteurs
pour effectuer des mesures de propriétés physiques de
l'échantillon pendant le durcissement et/ou la phase de test.
¨ Les capteurs pour effectuer des mesures de propriétés physiques
peuvent être des capteurs soniques, des capteurs de pressions,
des capteurs de température, sans que cette liste soit limitative.
¨ Les moyens de chauffage de l'échantillon peuvent être un collier
chauffant disposé autour de l'enceinte de confinement.
¨ Les moyens de chauffage du noyau de moulage peuvent être une
résistance chauffante disposée à l'intérieur du noyau de moulage.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique une cellule de test.
La figure 2 représente un détail de la crépine de la cellule de test de la
figure 1, vue de face.
La figure 3 représente schématiquement la crépine de la figure 2, vue
de dessus.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non
limitative dans la description qui suit.
Par composition durcissante, on entend dans le cadre de l'invention
une composition fluide (liquide, pâteuse, granulaire...) susceptible de passer
à un état solide ou quasiment solide au cours du temps (en subissant une
étape de durcissement).
La composition durcissante peut ainsi être une composition de gel, de
résine, de boue ou de préférence une composition de liant hydraulique et
d'eau (avec éventuellement d'autres composés, comme par exemple des
particules flexibles, en mélange) et tout particulièrement un laitier
(composition à base de ciment et d'eau). Ainsi, le durcissement correspond
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dans ce cas essentiellement à l'hydratation (ou prise) de la composition
durcissante.
Par ailleurs, on entend par crépine (ou grillage), une structure rigide
ajourée. Il peut notamment s'agir d'une tôle présentant des perforations ou
d'une structure alvéolaire. La tôle peut présenter une épaisseur d'1 mm ou
d'au moins 1 mm. La tôle peut être en acier, notamment en E24-2/XC18.
Par rigide , on entend dans le cadre de l'invention un élément qui
n'est pas susceptible de se déformer (ou qui n'est pas susceptible de se
déformer sensiblement) dans les conditions (notamment de pression)
rencontrées.
Par souple , on entend dans le cadre de l'invention un élément
non-rigide, qui peut se déformer en fonction des contraintes qui lui sont
appliquées.
En faisant référence à la figure 1, la cellule de test 10 d'une
composition durcissante comporte une paroi 11 de type tubulaire (qui
délimite un corps creux) ainsi qu'une embase inférieure 12 et une embase
supérieure 13 à deux extrémités de la paroi 11. Les embases inférieure 12 et
supérieure 13 peuvent être vissées sur la paroi 11, comme cela est illustré à
la figure 1 par les trous 111, 112, 113, 114, 121, 122, 131, 132 placés en vis-
à-vis. La paroi 11 et les embases inférieure 12 et supérieure 13 forment une
enceinte de confinement close adaptée à permettre la mise sous pression de
l'intérieur de la cellule de test 10.
De préférence, la paroi 11 présente un axe principal A, l'embase
inférieure 12 et l'embase supérieure 13 étant situées aux extrémités
respectives de la paroi 11 le long de cet axe. Selon la variante préférée qui
est illustrée, la paroi 11 est à géométrie cylindrique, et l'axe principal
correspond à l'axe du cylindre. Cette géométrie est une géométrie
traditionnelle pour les gaines de ciment des cuvelages des puits. Ceci permet
d'obtenir des résultats de tests d'intégrité des échantillons de gaine de
ciment représentatifs des gaines réellement mis en oeuvre dans les puits.
Il est toutefois possible d'envisager d'autres géométries, par exemple
de type tronconique.
La paroi 11 peut être une paroi métallique, et notamment une paroi en
acier inoxydable.
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Un moule 14 est disposé à l'intérieur de l'enceinte de confinement, qui
est adapté à recevoir un échantillon 15 de composition durcissante à tester.
Le moule 14, représenté plus en détail sur les figures 2 et 3, comprend
une enveloppe interne souple 16 et une crépine 17 externe rigide, adaptée à
être plaquée contre l'enveloppe interne 16 de façon amovible. La crépine 17
est ici cylindrique. Une partie de l'enveloppe interne 16 peut par exemple
être
collée sur la crépine 17.
Telle qu'illustrée sur les figures 2 et 3, la crépine 17 est réalisée sous
la forme d'une pluralité de portions angulaires de cylindre 171, 172, 173,
174,
qui se chevauchent partiellement. En d'autres termes, chaque portion
angulaire de cylindre présente une première et une deuxième extrémités, la
première extrémité étant disposée radialement à l'intérieur de la deuxième
extrémité d'une première portion angulaire de cylindre adjacente, la
deuxième extrémité étant disposée radialement à l'extérieur de la première
extrémité d'une deuxième portion angulaire de cylindre adjacente. En
d'autres termes encore, chaque portion angulaire présente une première et
une deuxième extrémités, la première extrémité d'une portion angulaire étant
superposée, radialement à l'extérieur, avec la deuxième extrémité d'une
portion angulaire voisine.
En l'espèce, la crépine 17 est formée de quatre portions angulaires de
cylindre. Cependant, cette réalisation est un exemple. La crépine peut être
formée de deux, trois, cinq, six ou plus portions angulaires de cylindre.
L'enveloppe interne souple 16 est de préférence en matière plastique
polymère, de préférence thermostable. Cette enveloppe interne assure
l'étanchéité entre le ciment et l'huile. Le polytétrafluoroéthylène (connu
sous
la marque Téflon ) est préféré pour sa compatibilité avec le ciment et
l'huile.
Ce matériau évite ainsi que l'enveloppe interne souple 16 n'adhère à
l'échantillon à tester 15 durant la prise de ce dernier. Ce matériau est
souple
pour pouvoir transmettre la pression de confinement à l'échantillon.
Les copolymères d'hexafluoropropylène et de fluorure de vinylidène,
les terpolymères de tétrafluoroéthylene, de fluorure de vinylidène et
d'hexafluoropropylène, ainsi que les élastomères contenant du
perfluorométhylvinyléther (polymères connus sous la marque Vitong) sont
cependant d'autres exemples de matériaux appropriés pour l'enveloppe
interne souple 16.
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La cellule 10 comporte encore, radialement à l'intérieur du moule 14,
un noyau de moulage 18. Le noyau de moulage 18 est ici cylindrique. De
préférence, le noyau de moulage 18 est réalisé par une portion de cuvelage
métallique, pour simuler au mieux le comportement d'un puits de forage.
L'intérieur du noyau de moulage 18 peut être rempli d'huile, pour exercer une
pression sur le cuvelage et ainsi comprimer l'échantillon à tester 15. Le
remplissage par de l'huile de l'intérieur du noyau de moulage 18 peut être
contrôlé au moyen d'une bouche d'alimentation et de vidange 19 percée
dans une embase, en l'espèce l'embase inférieure 12.
En outre, le centrage du noyau de moulage 18 peut être assuré au
moyen d'une tête de centrage 20 fixée à l'une des embases, de préférence
l'autre embase que celle dans laquelle est percée la bouche d'alimentation et
de vidange 19 de l'intérieur du noyau de moulage 18.
Il peut également être prévu, à l'intérieur du noyau de moulage 18,
une résistance chauffante 21 pour simuler le passage de vapeur chaude
dans un cuvelage et des moyens d'agitations de l'huile 22 pour
homogénéiser la température de l'huile à l'intérieur du moule. Le chauffage
de l'huile dans le noyau de moulage 18 permet également de chauffer le
noyau de moulage 18 qui peut ainsi se dilater et exercer une contrainte
mécanique sur l'échantillon à tester.
L'espace entre l'enveloppe interne souple 16 et la paroi 11 peut
également être rempli d'huile pour comprimer l'échantillon à tester 15. Il est
à
noter ici, que du fait de la présence de l'enveloppe interne souple 16, il n'y
a
pas de contact direct entre l'huile et l'échantillon à tester 15.
Un collier chauffant 23 peut également être disposé autour de la paroi
11, pour chauffer l'échantillon à tester.
En outre, l'embase inférieure 12 est montée sur des pieds 24. Un
anneau de levage 25 peut également être fixé sur l'embase supérieure 13,
pour lever la cellule durant la coulée et le test de l'échantillon. En fixant
les
pieds 24 au sol et en exerçant un effort de traction au niveau de l'anneau de
levage 25, il est possible d'exercer un effort sur l'échantillon à tester 15,
principalement selon l'axe A.
Enfin, la cellule 10 peut être munie de différents capteurs (non
représentés) acoustiques, de déplacement, de pression, de résistivité et/ou
de température en fonction du test à réaliser sur l'échantillon à tester 15
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et/ou des mesures à effectuer sur cet échantillon 15. La cellule peut
notamment comporter des capteurs acoustiques pour détecter une rupture
de l'échantillon à tester. Ces capteurs acoustiques peuvent en sus ou
alternativement permettre de déterminer l'emplacement de cette rupture,
notamment par triangulation.
La cellule 10 peut être mise en oeuvre de la manière suivante pour
tester l'intégrité d'un échantillon d'une composition durcissante à tester.
On fournit tout d'abord un échantillon 15 de composition durcissante.
Cet échantillon est coulé dans le moule 14 de la cellule de test 10. Dans la
suite, on prend l'exemple d'un échantillon de ciment.
Pour éviter que cet échantillon 15 s'affaisse dans le moule, il est
exercé une pression sur l'échantillon 15 par injection d'huile dans l'espace
situé entre l'enveloppe interne souple 16 et la paroi 11. Il est à noter ici
que
l'effort exercé par l'huile l'est sur l'enveloppe interne souple 16 et sur la
crépine 17. Dans un mode de réalisation, la crépine 17 assure que la forme
externe de l'échantillon 15 soit cylindrique avec un diamètre sensiblement
égal sur toute la hauteur de l'échantillon 15. Des brides peuvent participer à
l'effort de maintien des portions angulaires cylindriques 171, 172, 173, 174
en place, les unes par rapport aux autre pour accroitre la rigidité de la
crépine 17 durant cette phase de coulage de l'échantillon à tester 15.
Il peut également être appliqué une pression de test, simulant la
pression maximale réelle qui peut régner dans l'annulaire entre le casing et
la formation, après cette phase de mise en place de l'échantillon à tester.
Cette pression de test peut être contrôlée par injection d'un fluide à
l'intérieur
du noyau 18 et/ou par une contrainte exercée sur l'échantillon à tester 15
selon l'axe principal A de la cellule 10 et/ou par injection d'un fluide de
confinement dans l'espace de l'enceinte de confinement entourant le moule.
Une manière d'exercer une contrainte sur l'échantillon à tester 15 selon l'axe
principal A est d'injecter un fluide comme de l'eau par la bouche
d'alimentation 26 dans le moule 14.
On peut procéder ensuite au durcissement de la composition
durcissante en un échantillon durci, dans le moule, à une pression de
durcissement contrôlée. Ce durcissement peut être réalisé en injectant de
l'eau dans le moule 15. Cette phase n'est pas obligatoire, et on peut
chercher à tester l'échantillon avant le durcissement de la composition
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durcissante. On peut également chercher à tester l'échantillon avant que la
composition durcissante ait totalement durci.
Il est à noter ici que la crépine 17 de la cellule de test 10 est
suffisamment rigide pour permettre de former une gaine de ciment uniforme
en permettant l'application d'une pression de confinement sur toute la
longueur de l'échantillon 15 durant la coulée de l'échantillon de ciment et
durant la prise de cet échantillon.
On peut également procéder au chauffage de l'échantillon 15 et du
noyau de moulage 18 (notamment lorsque celui-ci est constitué d'un
morceau de cuvelage), grâce au collier chauffant 23 et/ou à la résistance
chauffante 21. Ce chauffage est de préférence réalisé dans des conditions
adiabatiques. Ce chauffage peut être simultané ou postérieur à l'étape de
durcissement. Un chauffage postérieur permet notamment de simuler
l'injection de vapeur d'eau dans un cuvelage, après que la gaine de ciment
du cuvelage ait pris. Le chauffage du noyau de moulage 18 peut provoquer
une dilatation de ce noyau de moulage 18 qui exerce alors une contrainte de
pression sur l'échantillon 15. Le chauffage de noyau de moulage 18 et de
l'échantillon peut également provoquer une dilatation de l'échantillon.
Pour éviter que le moule n'exerce un effort contraire à la dilatation du
cuvelage et de l'échantillon, et fausse par la même le test de l'échantillon,
la
pression d'huile dans l'espace entre la paroi 11 et la crépine 17 est réduit.
Il
s'ensuit que les efforts dus à la dilatation du noyau de moulage 18 et de
l'échantillon à tester 15 repoussent les différentes portions angulaires 171,
172, 173, 174 formant la crépine 17, qui s'écartent les unes des autres. Par
suite, le moule 14 est souple par rapport à l'échantillon durci 15, durant la
phase de test d'intégrité de l'échantillon 15 et ne perturbe pas ce test
d'intégrité.
L'échantillon peut être soumis à différentes charges et/ou décharges
mécaniques et/ou thermiques, ces charges pouvant être continues, cycliques
et croissantes. Les charges thermiques peuvent être réalisées au moyen de
la résistance chauffante 21 et/ou du collier chauffant 23. L'injection d'huile
à
l'intérieur du noyau de moulage 18, le chauffage de cette huile, qui induit
une
dilation du noyau de moulage 18, l'injection d'huile dans l'espace entre la
paroi 11 et la crépine 17, le chauffage de cette huile au moyen du collier
chauffant ou encore l'exercice d'une force selon l'axe principal A sur les
deux
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embases 12 et 13 permettent d'exercer des charges et/ou décharges
mécaniques sur l'échantillon à tester.
Des capteurs acoustiques permettent de détecter l'apparition et
l'emplacement d'une rupture de l'échantillon 15 soumis aux charges et/ou
décharges mécaniques et/ou thermiques.
Il est à noter qu'il est également possible de procéder à la mesure de
différentes propriétés physiques et/ou mécaniques de l'échantillon 15 durant
la coulée, la prise ou le test de celui-ci, en équipant la cellule 10 de
capteurs
correspondants.
Le procédé décrit ci-avant peut être mis en uvre pour toute
composition durcissante. Ce procédé trouve notamment à s'appliquer aux
compositions durcissantes choisies parmi les compositions de gels, de
résines, de boues et de liants hydrauliques, et de préférence les
compositions comprenant de l'eau et un liant hydraulique, de manière plus
particulièrement préférée les compositions comprenant de l'eau et du ciment.
Ainsi, la cellule selon l'invention permet de fabriquer une gaine de
ciment en conditions de fond de puits et de la solliciter pour valider sa
tenue
mécanique dans des conditions mécaniques simulant les conditions
rencontrées dans les puits de forage.
