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Propriétés viscoélastiques du système eau-bentonite-polymère
K. Benyounes 1*, A. Mellak 2 et A. Benchabane 3
1
Université de Boumerdès, Laboratoire Matériaux Minéraux et Composites (LMMC), Avenue de l’indépendance Boumerdès 35000
* E-mail : [email protected]
2
Université de Boumerdès, Laboratoire Génie physique des hydrocarbures , Avenue de l’indépendance Boumerdès 35000
3
Département de Génie Mécanique, Université Mohamed Khider Biskra, B.P. 145 R.P. 07000, Biskra, Algérie.
Résumé
L’interaction particules argileuses avec les solutions de polymères présente un grand intérêt à l’échelle
industrielle. Dans ce travail, nous avons étudié l’influence du xanthane sur les caractéristiques rhéologiques d'une
suspension argileuse. Des essais rhéologiques en régime permanent et en oscillation ont été effectués à l’aide d’un
rhéomètre à contrainte imposé sur les suspensions argileuses et sur les mélanges argile-xanthane. La concentration en argile
a été fixé à 3% tandis que la concentration en polymère a été varie entre 0 jusqu’a 0,5%. La présence de xanthane dans le
mélange bentonite-xanthane a entraîné : (i) l’augmentation de la contrainte seuil et de la viscosité (ii) l’amélioration des
paramètres viscoélastiques notamment les modules élastique et visqueux.
Mots clés : argile, xanthane, viscoélastique, rhéologie.
3. Mode préparatoire
1. Introduction
Le succès du forage d’un puits est lié directement au bon
choix du fluide de forage utilisé. A cet effet, le fluide de
forage est choisi en fonction de plusieurs facteurs : nature
de la roche, l’objectif du sondage, contraintes économiques.
Le fluide de forage doit accomplir plusieurs fonctions,
création d’une pression afin d’assurer la stabilité des parois
forées et d’empêcher la venue de fluides provenant des
nappes souterraines traversées. Il doit également former un
"cake". Dans le but de préserver l’environnement, on utilise
des boues de forage à base d’eau. Elles sont constituées
principalement d’argile, de polymères. Les polymères
naturels les plus couramment utilisés sont les
polysaccharides tels que : le CMC, l’amidons, la gomme de
xanthane et la gomme de guar [Hughes (1993)]. Ainsi, la
compréhension de l'effet de chaque constituant sur les
caractéristiques rhéologiques de la boue s’avère impérative
pour assurer le bon déroulement du processus de forage.
Le but de ce travail permet de montrer l’influence du
xanthane sur les caractéristiques viscoélastiques du système
eau-argile-xanthane.
2. Matériaux et appareillages
La bentonite utilisée provient de Maghnia (ouest d'Algérie),
elle est commercialisée par la société ENOF.
L’additif utilisé est une Gomme de xanthane, un
polysacharide anionique produit à l’échelle industrielle par
la fermentation aérobie de la bactérie Xanthomonas
campestris ,il présente une certaine stabilité à la
température et à la salinité [Xie and Lecourtier (1992)]. Le
rôle du xanthane est d’améliorer la viscosité de la boue de
forage.Le xanthane utilisé dans cette étude est
commercialisé par VWR Prolabo.
Toutes les mesures rhéologiques ont été effectuées à l'aide
d'un rhéomètre à contrainte imposée (AR 2000) en utilisant
une géométrie cône-plan. Le cône a un diamètre de 6cm et
son angle est de 4 degrés. La température est maintenue
constante à 20°C durant tous les tests.
a) Préparation des suspensions de bentonite :
Dans un premier temps, une quantité d'eau déminéralisée,
préalablement déterminée, est soumise à une agitation
magnétique. La bentonite, à la concentration voulue, est
alors versée par petites quantités dans l’eau pour éviter la
formation d’agrégats. Pour assurer une bonne
homogénéisation, la suspension obtenue est soumise à une
agitation magnétique continue pendant 24 heures.
b) Préparation des mélanges de bentonite-polymère :
Pour chaque mélange, on prépare séparément une
suspension de bentonite et une solution de polymère.
L'homogénéisation séparée de la suspension de bentonite et
de la solution de polymère se fait, sous agitation pendant
24 heures. Ensuite, on mélange la suspension de bentonite
et la solution de polymère. Le système eau-bentonitexanthane est alors agité pendant 24 heures afin d’obtenir un
mélange homogène. Avant le début de chaque test
rhéologique l’échantillon est agité pendant 1 heure. Le
contrôle systématique du pH des suspensions de bentonite
(sans et avec additif) a révélé la nature basique de ces
systèmes (pH entre 9,5 et 10,5). un changement de pH
modifiera la structure de la suspension et par conséquent,
de son comportement rhéologique [Benna et al. (1999)].
Dans ce cas, les faces et les bords des particules argileuses
sont chargés négativement et le contact entre les particules
argileuses est assuré principalement par les liaisons faceface [Benchabane and Bekkour(2006), Durán et al. (2000)].
Il est à noter que pour un pH >9, la présence de charges
positives sur les bords des particules argileuses est
improbable [De Kretser et al. (1998)].
Durán et al. (2000) ont montré que pour un pH basique,
l’attraction entre les différentes particules argileuse est
faible et que l’énergie cohésive des agrégats décroît en
fonction de l’augmentation de pH.
4. Résultats et discussion
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Après la mise en place de l'échantillon (suspension de
bentonite ou mélanges bentonite-additif) sous la géométrie
de mesure, on lui applique une rampe montante en
contrainte imposée (~0,03 Pa/s). Nous présentons cidessous les résultats relatifs à chaque type de mélange :
4.1 Suspensions de bentonite
Nous examinons en premier lieu les rhéogrammes relatifs
aux différentes concentrations de suspensions de bentonite
(2, 3, 4, 5 et 6%) qui sont représentés sur la figure 1. On
remarque qu'à partir de 3% de bentonite, le comportement
non-newtonien des suspensions de bentonite devient plus
visible. Ce comportement à seuil, se confirme et se renforce
avec la concentration de la bentonite. L’analyse des
courbes d’écoulements permet de constater que les
suspensions de bentonite se trouvent à l’état quasi-solide
pour de très faibles valeurs de vitesse de cisaillement, on
remarque aussi l’apparition d’un plateau de contrainte, qui
marque la transition entre un état solide élastique et un état
liquide visqueux. Sur ce plateau, on peut distinguer deux
contraintes seuils, L’une est statique et l’autre est
dynamique [Uhlherr et al. (2005)]. On constate que
l’écoulement des suspensions à 3, 4, 5 et 6% de bentonite
n'aura lieu que lorsque la contrainte dépasse un certain
seuil. Cette contrainte seuil est directement reliée à
l’énergie attractive interparticulaire qui commande la
cohésion du système eau-bentonite. Cette contrainte est
fortement dépendante de la concentration en argile.
Cette contrainte seuil est causée par la présence d’un
réseau tridimensionnel ouvert créé par l'encombrement des
particules d'argile. Au dessus de la valeur de la contrainte
seuil, on obtient la destruction de la structure du fluide, et
par conséquent, l'écoulement de la suspension.
La figure 1 montre que le comportement rhéologique de la
bentonite de Maghnia peut être décrit d'une manière
satisfaisante par le modèle de Herschel-Bulkley
τ = τ 0 + k ⋅ γ& n
Figure 1 : Rhéogrammes de la suspension de bentonite de
Maghnia à différentes concentrations (de 2 à 6%)
Où : τ0 est la contrainte seuil, k est la consistance et n
l’indice d’écoulement.
Plusieurs auteurs [Coussot et al. (1993), Coussot and Piau
(1994), Benyounes et al. (2007), Paumier et al. (2008)] ont
trouvé que le modèle rhéologique des suspensions
argileuses peut être décrit par l’équation de HerschelBulkley.
Afin de mettre en évidence l’effet de la gomme de
xanthane sur le comportement rhéologique des suspensions
de bentonite, nous avons choisi de fixer la concentration de
bentonite à 3%. Cette concentration est très souvent utilisée
dans la formulation des boues de forage [Kumar (2003),
Mahto and Sharma (2004)].
4.2 Mélanges bentonite-xanthane
4.2.1 Régime permanent
La figure 2 montre les courbes d’écoulement du système
eau-bentonite-xanthane. On constate une augmentation de
la viscosité apparente du mélange par rapport à la bentonite
de référence ainsi qu’aux solutions aqueuses de xanthane
(résultat que nous ne présentons pas ici). On remarque aussi
que la contrainte seuil des différents mélanges augmentent
avec la concentration de xanthane, à cause de sa nature
chimique et structurelle. Le xanthane une double hélice, il
est semi-flexible et non complètement rigide.
Il est établi dans la littérature que lorsque une
macromolécule est adsorbée sur une surface colloïdale,
celle-ci permet de relier plusieurs particules. L’adsorption
augmente la charge sur la surface de la particule, ce qui
donne un système plus dispersé. Ceci entraîne
l’augmentation du potentiel zêta et l’amplification des
forces de répulsion entre les particules argileuses.
C'est la nature structurel du polymère et son adsorption sur
les particules argileuse qui sont à l'origine du comportement
rhéologique des mélanges [Benchabane and Bekkour
(2006), M'bodj et al. (2004)].
D'autre part, nous avons signalé plus haut la nature basique
des mélanges. Dans ce cas les faces et les bords sont de
charges négatives [De Kretser et al. (1998), Benchabane
and Bekkour (2006)]. Nous pouvons donc écarté toute
hypothèse d'interaction électrostatique habituellement
Figure 2 : Rhéogrammes de la suspension de bentonite
(3%) et du mélange bentonite-xanthane à différentes
concentrations de polymère.
supposées entre les charges anioniques du polymère et les
charges positives des bords des particules argileuses. Ainsi,
le mécanisme d'interactions argile-polymère se résume dans
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les forces de van der Waals et les liaisons Hydrogène
[Benchabane and Bekkour (2006), M'bodj et al. (2004)].
4.2.2 Régime dynamique
Les propriétés viscoélastiques de la suspension de bentonite
ainsi que les mélanges argile –xanthane ont été étudiés en
mesurant les modules élastiques et visqueux respectivement
G’ et G’’ en fonction de la fréquence dans le domaine
viscoélastique linéaire. Au cours de cet essai, l’amplitude
de la contrainte a été fixée à 0.018 Pa. On constate sur la
figure 3 que les modules G’ et G’’ de la suspension de
bentonite sont quasi-indépendants de la fréquence, ceci
s’explique par la formation d’un réseau tridimensionnel
rigide. Par contre, les modules G’ et G’’ des mélanges
bentonite-xanthane sont en fonction de la fréquence, cela
est du à la nature structural de la gomme de xanthane.
On constate que G’ et G’’ accroissent avec l’augmentation
de la concentration en polymère, la présence du xanthane
dans le mélange permet de renforcer les propriétés
élastiques du système.
5. Conclusion
Nous avons mis en évidence l’influence de la gomme de
xanthane sur les caractéristiques rhéologiques de la
suspension de bentonite à différentes concentrations.
Les essais rhéologiques effectués sur la suspension de
bentonite de Maghnia à différentes concentrations ont
révélés un comportement à seuil de type Herschel-Bulkley.
La contrainte seuil et la viscosité augmentent avec la
concentration en bentonite. On note également que la
bentonite de Maghnia à la concentration de 3% présente
une faible viscosité.
La présence du xanthane
dans le mélange a
permis l’augmentation de la viscosité et de la contrainte
seuil et surtout le renforcement des propriétés élastiques du
système "eau-bentonite-xanthane".
Benna, M., N. Kbir-Ariguib, A. Magnin and F. Bergaya
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Colloid and Interface Science 229(1): 107-117.
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Physicochemical and Engineering Aspects 318(1-3): 217-226.
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"Behaviour of organic polymers on the rheological properties
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Technology 10: 525-530.
Mahto, V. and V. P. Sharma (2004). "Rheological study of a
water based oil well drilling fluid." Journal of Petroleum
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M'bodj, O., N. K. Ariguib, M. T. Ayadi and A. Magnin (2004).
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Interface Science 273(2): 675-684.
Paumier, S., A. Pantet, P. Monnet "Evaluation of the
organization of the homoionic smectite layers (Na+ or Ca2+)
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Uhlherr, P. H. T., J. Guo, C. Tiu, X.-M. Zhang, J. Z.-Q. Zhou,
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in yield stress materials with chemically different structures."
Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 125(2-3): 101119.
Figure 3 : Evolution de G’ et G’’ en fonction de la
fréquence de la suspension de bentonite (3%) et des
mélanges bentonite-xanthane à différentes
concentrations de polymère.
Xie, W., Lecourtier, J. (1992). "Xanthan behaviour in waterbased drilling fluids." Polymer Degradation and Stability
38(2): 155-164.
Références
Benchabane, A. and K. Bekkour (2006). "Effects of anionic
additives on the rheological behavior of aqueous calcium
montmorillonite suspensions." Rheologica Acta 45(4): 425434.
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