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Étude rhéologique dans l’exploration minière et pétrolière

Bien que l’extraction minière soit l’une des plus anciennes industries humaines, puisque le métal et la roche sont extraits depuis les temps préhistoriques, elle continue de croître et s'étendre de nos jours. Les produits miniers vont des matières énergétiques de base telles que le charbon et le gaz aux matériaux de construction tels que le fer, en passant par les métaux précieux tels que le nickel, le titane, le lithium, l’or et d'autres.

Les principaux procédés employés dans l’industrie minière sont le forage, le traitement et le transport des matériaux extraits et l’élimination et le stockage des déchets. Comme la plupart des mines couvrent des surfaces et traitent des quantités extrêmement grandes, de petites différences concernant l’efficacité de ces procédés peuvent avoir de gros répercussions sur la productivité et la pérennité économique de la mine.

Comportement rhéologique des matériaux utilisés dans l’exploration minière et pétrolière

Les mesures rhéologiques fournissent des renseignements utiles concernant l’efficacité des procédés décrits ci-dessus, qui tournent en grande partie autour de l’écoulement des boues et fluides.

Forage

Les fluides de forage jouent plusieurs rôles importants dans le processus de forage ; ils servent notamment à lubrifier le trépan et le train de forage, à débarrasser la face du trépan des déblais de forage et à éloigner les fluides de formation. Des mesures rhéologiques doivent être réalisées pour surveiller et prévoir la performance des fluides de forage dans divers milieux, des mines en eaux profondes où règnent des températures de 5 °C jusqu'aux puits géothermiques dépassant les 180 °C.

Traitement et transport

Il arrive parfois que les matériaux extraits doivent être transportés sur de longues distances avant d’être traités et raffinés. Des données rhéologiques sont alors nécessaires pour définir les conditions de pompage optimales : taille des conduites, composition du fluide, pression de pompage.

Élimination des déchets

L’industrie minière est le plus gros producteur de déchets au monde. Enlever une bonne partie de l’eau avant le transport des déchets peut générer des économies d’eau, d'énergie de transport et de coûts de stockage. Toutefois, concentrer les déchets peut aussi modifier considérablement leur comportement d'écoulement, c’est pourquoi des mesures rhéologiques doivent être réalisées afin d’élaborer la meilleure stratégie d’élimination des déchets.

Matières habituellement mesurées dans l’industrie minière

Fluides de forage

La fonction la plus essentielle d’un fluide de forage est de réduire la concentration de déblais autour du trépan et dans tout le puits. Le fluide de forage doit aussi stabiliser le puits et lubrifier le trépan et le train de forage afin d’assurer une vitesse de forage élevée. Le fluide doit donc être suffisamment visqueux pour soulever les déblais à la surface, mais en même temps sa viscosité ne doit pas être trop élevée afin de maintenir les pertes de pression de frottement au minimum. Le meilleur moyen de contrôler le niveau de viscosité est de gérer la rhéologie du fluide de forage.

Tests rhéologiques sur les fluides de forage

Les fluides de forage ont connu une évolution technologique majeure : autrefois, ils étaient un simple mélange d’eau et d’argiles, alors qu'aujourd'hui ils sont un mélange synthétique complexe de divers produits organiques et inorganiques appelés « boues de forage ». En contrôlant les composants, les propriétés rhéologiques peuvent être améliorées et adaptées. Par exemple, si de l’eau est ajoutée au mélange, la viscosité diminuera sur une large plage de gradients de cisaillement. Si du bentonite est ajouté, alors la viscosité augmentera. Les polymères contribuent à augmenter la viscosité aux gradients de cisaillement élevés, tandis que la chaux blanche sert à augmenter la viscosité aux gradients de cisaillement inférieurs.

La figure ci-dessous montre comment augmenter la quantité d’épaississant dans un fluide de forage augmenter sa viscosité sur une large plage de gradients de cisaillement.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de mesure à cylindre.

Boues

Les caractéristiques de traitement et de transport des boues dépendent fortement de leurs propriétés rhéologiques. Le seuil d’écoulement, par exemple, indique la force minimale nécessaire pour amorcer l’écoulement de la boue, tandis que la viscosité traduit la résistance à l’écoulement de la boue. Une quantité d'énergie disproportionnée est requise pour dépasser le seuil d’écoulement et, jusqu’à ce seuil d’écoulement, la résistance et la pression dans la conduite augmenteront de manière proportionnelle lorsque la boue est immobile. Ainsi, si le seuil d’écoulement est trop élevé, il est impossible de démarrer le pompage. Il est donc indispensable de surveiller et contrôler ces propriétés rhéologiques dans la mesure où un petit changement concernant l’efficacité du pompage peut avoir des effets significatifs sur l’énergie et les coûts.

Tests rhéologiques sur les boues

Le seuil d’écoulement et la viscosité peuvent être influencés en modifiant la composition de la boue : quantité d’eau, additifs ajoutés (solides, polymères, liquide), taille des particules et température de pompage. Souvent, une boue à fluidification par cisaillement est requise, auquel cas augmenter la contrainte de cisaillement réduit la viscosité de la boue, qui devient alors plus facile à pomper.

La relation entre le gradient de cisaillement et la viscosité dans un échantillon à fluidification par cisaillement est représentée sur la figure ci-dessous. Aux faibles gradients de cisaillement et à faible débit massique, la contrainte de cisaillement et la différence de pression dans la conduite sont relativement élevées. Cependant, augmenter le débit massique de la boue dans la conduite demande seulement une faible hausse de pression. Cela tient au comportement de fluidification par cisaillement de la boue, qui fait que la viscosité diminue lorsque le gradient de cisaillement augmente.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de mesure à cylindre sablé.

Autres matériaux et applications