Brevet FR2711801A1 — publié le 19950505

La présente invention se rapporte à une méthode de mesure de la capacité d'échange cationique des argiles par percolation et plus particulièrement à une telle méthode qui utilise la technique de la chromatographie liquide. Lors d'un forage pétrolier, on traverse de nombreuses couches de roche différentes, dont les argiles. Ces argiles peuvent réagir chimiquement de manière défavorable avec la boue de forage présente dans le puits. I1 convient donc d'analyser des échantillons d'argile, émanant soit des déblais remontés à la surface par la boue de forage, soit des carottes prises en cours du forage, afin d'en déterminer leur indice de réactivité et de pouvoir modifier si besoin est, les caractéristiques de la boue de forage. I1 est à rappeler que les argiles sont des phyllosilicates d'alumine constitués par l'empilement de couches tétraédriques et octaédriques. Les couches tétraédriques sont constituées par un accolement, dans un plan, de tétraèdres dans la cavité desquels se place un cation tétravalent : SI4+. Les couches octaédriques sont constituées par l'association d'octaèdres dans la cavité desquels se place un cation trivalent : AI3+. Ces cations peuvent être substitués par des cations de valence moindre il y a alors déficit de charge qui se compense par l'insertion entre les feuillets de cations "compensateurs" afin de rétablir la neutralité électrique du système. L'indice de réactivité des argiles que l'on cherche à définir est leur capacité d'échange cationique. I1 a déjà été proposé de déterminer la capacité d'échange cationique d'un échantillon d'argile par centrifugation. Cette méthode d'analyse est une méthode statique dans laquelle le contact entre l'argile et une solution d'échange est réalisé dans un godet de centrifugation avec une agitation magnétique. Pour que l'échange ait lieu, il faut que la solution d'échange soit fortement concentrée, et, d'autre part, il faut renouveler cette solution pour déplacer l'équilibre. La méthode par centrifugation présente en outre l'inconvénient de nécessiter beaucoup de manipulations telles que des remises en solution de l'argile après centrifugation ce qui peut entraîner des pertes d'argile. La présente invention a donc pour premier objet de proposer une méthode de mesure de la capacité d'échange cationique des argiles dans laquelle le nombre de manipulations est réduit et qui permet un renouvellement en continu de la solution en contact avec l'argile. L'utilisation du principe de la chromatographie pour caractériser la réactivité des argiles permettrait de résoudre les problèmes ci-dessus. Cependant, l'utilisation de la chromatographie se trouve confrontée au problème de la perméabilité des argiles. En effet, les argiles sont très peu perméables au passage d'une solution d'échange. La présente invention a également pour objet de proposer une méthode de mesure de la capacité d'échange cationique des argiles qui permet d'utiliser la chromatographie en résolvant le problème de la faible perméabilité des argiles. Pour ce faire, l'invention propose une méthode de mesure de la capacité d'échange cationique des argiles comprenant les étapes - d'introduction d'une quantité d'argile à analyser dans une colonne chromatographique - de passage d'une éluant à travers l'argile ; et - d'analyse ionique de l'éluant après son passage à travers l'argile caractérisé en ce qu'elle comprend une étape préalable de mélange de la quantité d'argile à analyser avec un support inerte granulaire afin de former un lit filtrant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique est un schéma d'un appareil permettant la mise en oeuvre de la méthode selon 1' invention. Sur la figure, un dispositif de chromatographie liquide, représenté généralement en 10, comprend une pompe 12 du type HPLC munie d'un module monométrique 14. Un conduit souple 16 relie une source d'éluant 18, par l'intermédiaire de la pompe 12 et son module monométrique 14, à une colonne de chromatographie 20. La colonne conventionnelle a, dans l'exemple illustré, une longueur de 13 cm et un diamètre de 1 cm. La sortie de la colonne 20 communique, par un conduit souple 22, à un système d'échantillonnage 24 qui est relié à un système d'analyse des ions 26. La colonne de chromatographie 20 comprend un lit filtrant 28 qui comporte de l'argile à analyser mélangée à un support. Le lit filtrant 28 doit avoir une granulométrie suffisamment fine pour que toute l'argile entre en contact avec l'éluant, en évitant des passages préférentiels pour le liquide. Le lit filtrant doit en outre être homogène, c'est-à-dire présenter une répartition granulométrique homogène de l'argile et du support. De plus, l'argile doit se trouver emprisonnée par les graines du support afin de ne pas pouvoir migrer vers l'intérieur du lit filtrant et y former des bouchons imperméables. Enfin, le support doit être inerte vis-à-vis des solutions qui sont utilisées dans les mesures de la capacité d'échange cationiques des argiles. Selon l'invention, on utilise du carbure de silicium comme support granulaire à mélanger avec l'argile. Le carbure de silicium utilisé est en forme de poudre ayant une granulométrie comprise entre 50 ssm et 65 pm et de préférence allant de 53 pm à 63 ssm. L'utilisation de SiC présente des avantages compte tenu de sa pureté et de son inertie vis-àvis des solutions salines et des argiles. En effet, le support ne doit ni relarguer d'ions, ni fixer les ions échangés par l'argile. De plus, les particules de SiC présentent un aspect aplati qui leur permet de former un assemblage constitué de particules de SiC intercalées avec des particules d'argile. Dans l'exemple illustré, la colonne de chromatographie 20 contient un mélange homogénéisé de 1 gramme d'argile avec 2 grammes de SiC. Une couche filtrante 30 est disposée au dessus du lit filtrant 28 afin de retenir les particules très fines de ce lit qui seraient susceptibles de migrer, avec des résultats néfastes, vers le système d'échantillonnage 24. Cette couche filtrante est formée par exemple, de sable, et de préférence du sable de fontainebleau, dont la granulométrie est comprise entre 50 pm et 70 ssm et de préférence est inférieure à 63 Zm. Des essais comparatifs ont été faits avec trois smectites (bentonite W100 ; montmorillonite MRM et MUM) ainsi que de la kaolinite. Les smectites sont des argiles très réactives à fort pouvoir d'hydratation. Les résultats des essais sont présentés dans le tableau I. TABLEAU I ARGILE CEC PAR PERCOLATION CEC CLASSIQUE NH4CH3COO 1N NH4CH3COO 1N Bentonite W100 113.55 méq/lOOg 119.96 méq/100g Montmorillonite MRM 112.32 méq/100g 113 méq/100g Montmorillonire MVM 104.3 méq/îOOg 113.6 méq/100g Kaolinite 4.67 méq/100g 4.48 méq/100g NH4CH3COO : Acétate d'ammonium. Si dans la méthode classique la solution qui est recueillies est homogène, il n'en est pas de même pour la percolation car la solution passant au travers de l'argile voit sa composition changer au cours du temps, les derniers millilitres recueillis n'ont pas la même composition que les premiers, plus chargés. I1 est important de faire un contrôle en continu des teneurs des solutions en sortie de colonne. Par exemple, on peut estimer que la capacité d'échange cationique (CEC) est atteinte quand la concentration de la solution éluante en sortie de colonne est égale à la concentration à l'entrée. Un des objectifs étant de contrôler les ions échangés par électrophorèse capilaire, des mesures ont été effectuées avec des solutions éluantes moins concentrées. Ces résultats sont présentés dans le tableau II. TABLEAU II CEC NH4CH3COO NHgCH3COO NE4CH3COO 1M 0.5M 0.1M Montmorillonite MRM 112.32 méq/100g 117.51méq/100Q 106.29 méq/100g La méthode selon l'invention présente l'avantage de permettre des élutions successives : on peut ainsi réaliser un premier échange avec une solution d'ions potassium puis mesurer l'influence de ces ions potassium vis-à-vis de la capacité d'échange de l'argile. REVENDICATIONS 1) Méthode de mesure de la capacité d'échange cationique des argiles comprenant les étapes - d'introduction d'une quantité d'argile à analyser dans une colonne chromatographique - de passage d'une éluant à travers l'argile ; et - d'analyse ionique de l'éluant après son passage à travers l'argile caractérisé en ce qu'elle comprend une étape préalable de mélange de la quantité d'argile à analyser avec un support inerte granulaire afin de former un lit filtrant. 2) Méthode selon la revendication caractérisée en ce que le support granulaire comprend du carbure de silicium. 3) Méthode selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le support granulaire a une granulométrie comprise entre 50 Mm et 65 Mm. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend une étape additionnelle de disposer une couche filtrante au-dessus du lit filtrant, la couche filtrante comprenant du sable dont la granulométrie est comprise entre 50 Mm et 70Mm.