Brevet FR2997946A1 — publié le 20140516

Domaine technique de l'invention La prés,":nte invention concerne le domaine de la géothermie. Plus précisément, l'invention concerne un coulis possédant une bonne conductivité thermique, adapté à la pose de sondes geothe-miques. Etat de la technique Les sondes géothermiques permettent d'exploiter la chaleur de la terre des terrains superficiels sans mobiliser l'eau souterraine. Leur principe de fonctionnement est de capter la chaleur des couches traversées par conduction et de la transférer à 10 l'évaporateur d'une pompe à chaleur. Ce sont des échangeurs thermiques verticaux constitués de deux tubes de polyéthylène en U, installés dans un forage de plusieurs dizaines de mètres de profondeur et scellés dans celui-ci par un coulis conducteur à base de ciment. Un liquide caloporteur (eau + antigel biodégradable de qualité alimentaire) circule dans ces tubes et cède son énergie à la pompe à chaleur. Le coulis 15 de scellement est spécialement adapté à la géothermie. Il évite tout risque accidentel de pollution du terrain et des nappes d'eau souterraines, et optimise l'échange thermique entre le sol et le liquide caloporteur qui circule dans les sondes. Le coulis est injecté sous forme liquide depuis le bas du forage ; le ciment durcit dans les trois ou quatre jours qui suivent. 20 La demande EP-A-774 446 décrit un coulis destiné à être injecté dans une canalisation enterrée contenant des lignes à haute tension, comprenant un mélange de ciment, d'eau de bentonite et de dolomie. D'après les exemples la conductivité thermique du coulis est de l'ordre de 1,20 VV/m.K. La demande DE 10 2007 031418 décrit un mortier sec susceptible d'être utilisé pour 25 préparer un coulis pour sceller des sondes géothermiques, ledit mortier comprenant : de 15 à 40% en masse de ciment ; de 30 à 60% en masse de sable ; et de 15 à 50% en masse d'un mélange d'argile constitué de mica (10 à 30% en masse), de silice libre (25 à 30% en masse), de kaolinite (plus de 25% en masse) et de smectite (moins de 1% en masse 30 Le brevet U56251179 décrit un coulis pour sondes géothermiques comprenant du ciment, du sable de silice dans un rapport pondéral de 1:1 à 1:1 pr rapport au ciment, un superplastftiant de type naphtalène sulfonate dans un rapport pondéral de 0,0005:1 à 0,03:1 par rapport au ciment et au sable, et de l'eau dans un rapport pondéral de 0,2:1 à 2:1 par rapport au ciment et au sable. Ce coulis est présenté comme possédant une conductivité thermique d'au moins 1,5 1.K après durcissement à l'état humide pendant 28 jours. D'autres coulis pour sondes géothermiques sont décrits dans les documents US7067001 ; US2007/0125274 ; US7938901, DE 10 2001 039107. Résumé de l'invention Un objectif de l'invention réside dans la formulation d'un précurseur de coulis qui permette l'obtention d'un coulis adapte pour la pose de sondes géothermique. Un autre objectif de l'invention réside dans la mise au point d'un précurseur de coulis à faible coût de fabrication tout en étant compatible avec l'objectif ci-dessus. 10 Un autre objectif de l'invention réside dans la formulation d'un précurseur de coulis sans ciment et qui soit donc plus respectueux de l'environnement. Un autre objectif de l'invention réside dans la préparation d'un coulis à partir du précurseur susmentionné. Ces objectifs sont atteints : 15 - d'une part, par un précurseur de coulis comprenant un matériau à prise hydraulique et de la silice ayant une D50 > environ 65pm ; - d'autre part, par un coulis obtenu par mélange dudit précurseur et d'eau. Description de l'invention Selon un premier aspect, l'invention concerne un mélange précurseur de coulis pour 20 sonde géothermique, ledit mélange comprenant (a) un matériau à prise hydraulique choisi parmi un ciment de type CEM III et un laitier de haut fourneau, (b) éventuellement, un agent de contrôle de la rhéologie, et (c) de la silice ayant une D50 > 65 pm, 25 le rapport pondéral [(a) (b)] / (c) étant compris dans la gamme allant d'environ 20:80 à environ 5:95. Sauf indication contraire, « un ciment de type CEM III » signifie un ou plusieurs ciments de type CEfv1 iii ; « un laltier de haut fourneau » signifie un ou plusieurs laitiers de ini.ut fourneau ; « un agent de contrôle de la rhéologie » signifie un ou 30 plusieurs agents de contrôle de la rhéologie. Le aitier de haut fourneau uti'isé dans le cadre de la présente invention possède avantageusenses- une finesse comprise dans la gamme allant d'environ 2500 à environ 5000 Raine (c.m- de préférence dans la gamme allant d'environ 3500 à environ 4500 Blaine, Bien que la nature du laitier d' haut fourneau no soit pas particulièrement critique, il est préférable que celui-ci soit du type basique et que le rapport pondéral CaO/502 soit compris dans la gamme allant d'environ 1,10 à environ 1,35. A titre d'exemple de laitier utilisable dans le cadre de la présente invention, on peut citer un matériau comprenant comme composants principaux (en pourcentage en poids), 33 à 40 % de 502, 8 à 16 % d'Al203, 39 à 44 % de CaO, et 4 à 9 % de MgO. Par ailleurs, il est également préférable que le module chimique du laitier (teneur (°/0) en CaO x teneur (%) en A1203) soit supérieur à environ 450. L'agent de contrôle de la rhéologie utilisé dans le cadre de l'invention est avantageusement choisi parmi une argile naturelle ou modifiée, telle que la bentonite, 10 en particulier la bentonite sodique ; une cellulose modifiée ; un gel de polyacrylamide ; un polysaccharide ; ou un mélange de ces composés. De préférence, l'agent de contrôle de la rhéologie est une argile naturelle ou modifiée. La silice utilisée dans le cadre de l'invention a une granulométrie D50 > 65 pm. La granulométrie peut être déterminée par différentes techniques, de préférence par la 15 technique de diffraction laser en utilisant par exemple un appareil Malvern Mastersizer. De manière avantageuse, les ingrédients (a), (b) et (c) représentent au moins 90% en poids, de préférence au moins 95% en poids du mélange. Dans un mode de réalisation de l'invention, le matériau à prise hydraulique est un ciment de type CEM III, et l'agent de contrôle de la rhéologie est facultatif. 20 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau à prise hydraulique est un laitier de haut fourneau, et l'agent de contrôle de la rhéologie est présent. Le mélange peut alors également comprendre (d) un agent activant qui permet la prise du laitier. Cet agent est généralement basique, et il est avantageusement choisi parmi la soude, la potasse, le (bi)carbonate de sodium ou de potassium, le gypse, la chaux 25 vive, la chaux éteinte et les mélanges de ces composés. La quantité d'agent activant est de préférence comprise dans la gamme allant d'environ 2,5% à environ 5% en poids, par rapport au poids du laitier de haut fourneau. Le mélange selon l'invention peut également comprendre d'autres additifs comme par exemple un agent dispersant (tel que naphtalène sulfonate, mélamine sulfonate, 30 polyacrylate de sodium, polycarboxylate) à raison d'environ 0,1 à environ 2% du poids de matériau à prise h1crF JUque ; un agent entraîneur d'air à raison d'environ 0,1 à environ 1% du poids r» matériau à prise hydraulique ; ou un mélange de ces composés. Le mélange selon l'invention permet de préparer un coulis adapté pour la pose de sondes géothermiques. Ainsi, selon un second aspect, l'invention concerne un coulis pour sonde géothermique comprenant, pour 1m3 de coulis, environ 500 L à environ 600 L d'eau et environ 1000 kg à environ 1300 kg du mélange défini ci-dessus. Dans un mode de réalisation de l'invention, lorsque le matériau à prise hydraulique est un laitier de haut fourneau, le coulis est préparé à partir d'eau et d'un mélange précurseur ne contenant pas d'agent activant, ce dernier étant ajouté soit lors de la préparation du coulis proprement dite, soit une fois le coulis injecté dans la cavité destinée à recevoir une sonde géothermique. Dans ce mode de réalisation, l'agent 10 activant est de préférence ajouté en une quantité comprise dans la gamme allant d'environ 2,5% à environ 5% en poids, par rapport au poids du laitier de haut fourneau. Le coulis selon l'invention peut également comprendre d'autres additifs comme par exemple un agent dispersant à raison d'environ 0,1 à environ 2% du poids de matériau 15 à prise hydraulique ; un agent entraîneur d'air à raison d'environ 0,1 à environ 1% du poids de matériau à prise hydraulique ; ou un mélange de ces composés. Le coulis ainsi préparé possède une conductivité thermique supérieure ou égale à environ 2 VV/m.K, notamment comprise dans la gamme allant d'environ 2 à environ 3 VV/m.K, et présente avantageusement au moins l'une des propriétés suivantes : 20 * un rapport pondéral C/E compris dans la gamme allant d'environ 0,15 à environ 0,30 (C désigne ici soit le ciment Portland, soit le laitier de haut fourneau, et E désigne l'eau) ; * un rapport pondéral S/E compris dans la gamme allant d'environ 1,8 à environ 2,7 (S désigne ici les solides) ; 25 * une viscosité Marsh comprise dans la gamme allant d'environ 40 à environ 80 s, de préférence dans la gamme allant d'environ 45 à environ 60 s ; * à l'état durci, une résistance mécanique à la compression (Rc) à 7 jours comprise dans la gamme allant d'environ 0,2 à environ 2 MPa ; * à l'état durci, une résistance mécanique à la compression (Rc) à 28 jours comprise 30 dans la gamme allant d'environ 1 à environ 3 MPa ; * une perméabilité comprise dans la gamme allant d'environ 5x10"' à environ 10-'0 m/s ; * une ressuée à 1h, 2h et 4h comprise dans la gamme allant d'environ 0% à environ 5%. Le coulis conforme à l'invention possède donc une conductivité thermique compatible avec son utilisation pour la pose de sondes géothermiques. Ainsi selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé pour la mise en place d'une sonde géothermique, ledit procédé comprenart une Mao° d'injection du coulis décrit ci-dessus dans une cavité destinée à recevor ;aci;te sonde géothermique. Lorsque le coulis est préparé à partir d'un mélange précurseur contenant un laitier de haut fourneau mais ne comprenant pas d'agent activant, le procédé conforme à l'invention comprend en outre une étape d'activation du laitier de haut fourneau. Il est ainsi possible, dans ce cas de figure, de préparer la quantité nécessaire de coulis avant injection, et de contrôler l'activation du 10 laitier pour s'assurer d'une prise optimum. Le fait de pouvoir activer la prise du coulis sur demande présente deux avantages notoires: - la possibilité de stockage (du coulis) en grand sac (« big bag »), ce qui améliore la pénibilité au travail du personnel en charge de la fabrication du coulis ; - la préparation anticipée d'une gâchée de grande capacité, permettant une injection 15 du coulis dès le détubage du forage, ce qui limite la quantité d'éboulements de la paroi du forage pouvant survenir et améliore donc la qualité de cimentation de la sonde géothermique. Dans un mode de réalisation de l'invention, qui peut être combiné avec les modes de réalisation décrits précédemment, le mélange précurseur conforme à l'invention est 20 essentiellement constitué des composants (a) et (c) et éventuellement (b) et/ou (d). On entend par « essentiellement constitué de » le fait que le mélange précurseur ne comprend pas d'autres composants susceptibles d'affecter les propriétés mécaniques et physico-chimiques du coulis qu'il sert à préparer (notamment conductivité thermique et résistance mécanique à la compression). Dans une variante, le mélange précurseur est 25 constitué des composants précités. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, qui peut être combiné avec les modes de réalisation décrits précédemment, le coulis conforme à l'invention est essentiellement constitué d'eau, du mélange précurseur précité et d'un agent activant. On entend pi:r « es-,,,,vii-llement constitué de » le fait que le coulis ne comprend pas 30 d'autres composants susceptibles d'affecter les propriétés mécaniques et physico- chimiques (notamment conductivité thermique et résistance mécanique à la compresson). Dans une variante, le coulis est const-rLié des composants précités. Détermination des propriétés La conductivité thermique est mesurée selon la norme PR NF X10-950. Elle s'exprime en W/m.K. La résistance mécnn:,:le à la compression à 7 jours et à 28 jours est mesurée selon la norme EN 12390-3. Lie s'exprime en MPa. La viscosité Marsh est mesurée à l'aide du cône de Marsh. C'est une mesure conforme à la norme API 13B. Le mode opératoire consiste à remplir un entonnoir dont l'ajutage est parfaitement calibré (4,75 mm) et de mesurer le temps d'écoulement de 946 mL de fluide. La viscosité s'exprime en secondes. La perméabilité est mesurée selon le protocole suivant : l'échantillon est placé dans une cellule triaxiale entourée d'une membrane en caoutchouc. On applique une étreinte latérale sur l'échantillon et on fait percoler de l'eau au travers de l'échantillon à une pression deux fois moindre que celle de l'étreinte latérale. On mesure le volume d'eau qui passe au travers de l'échantillon en fonction du temps. En appliquant la loi de DARCY on déduit la perméabilité exprimée en m/s. La ressuée caractérise la stabilité du coulis. Il s'agit de l'eau d'exsudation lorsque le coulis est au repos. Cette ressuée est mesurée à l'aide d'une éprouvette graduée d'un litre. On remplit l'éprouvette de un litre de coulis et, après trois heures de repos, on mesure l'eau qui surnage à la surface du coulis. La ressuée est égale au rapport du volume d'eau surnageant sur le volume total de coulis avant exsudation. L'invention est illustrée par les exemples suivants, donnés à titre purement indicatif. Exemple 1 On a préparé différents coulis, dont les compositions et propriétés sont indiquées dans le tableau 1, selon le protocole suivant. Dans un turbo malaxeur de type Rayneri on a introduit à 20°C de l'eau puis le mélange précurseur composé de ciment CEM/III, de silice et le cas échéant d'agent de contrôle de la rhéologie puis on a malaxé le tout à 1500 tr/min (+/- 250 tr/min) pendant 5 min pour obtenir un coulis dont on a déterminé les propriétés. Tableau 1 Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 4 . , 510 582 578 578 , _ if-rIti: 1-Le sorl CI,Iu2 .1.g HI , - 10 10 . L.1131:1t C.F-: TU C 100 120 120 120 Silice (Ka .1 1200 1000 1000 1000 CiEr 0,20 0,21 0,21 0,2 Solide/eau 2 55 1 92 1,96 1 96 48 03 IMM.MMfflinfflUMMIMMIIMMI Viscosité Marsh s nd 42 7 47 7 Densité 1 83 MINIIIMEMIMEMI Ressuée 1h % IIMMMMllIllMMIMIMIMI Ressuée 2h % 4 IllifflMÉIM Ressuée 4h % IIIIMI 4 IIIMMIIMffll Rc 7 MPa 09 057 057 Rc 28' MPa 1 96 IMEEMIMMI 1,4 CV 15T Conductivité thermisue VV/mK 2,34 MIMMEMMailiM commercialisée par la société Süd-Chemie sous la dénomination Ben onil 2 commercialisé par la société Calcia sous la dénomination CEM III/C 32,5 PM ES 3 commercialisée par la société Sifraco sous la dénomination Millisil C4 * estimation théorique en fonction des résultats des exemples 1 et 2 nd : non déterminé Exemple 2 On a préparé différents coulis, dont les compositions et propriétés sont indiquées dans 10 le tableau 2, selon le protocole suivant. Dans un turbo malaxeur de type Rayneri on a introduit à 20°C de l'eau puis le mélange précurseur composé de laitier de haut fourneau, de silice, d'agent de contrôle de la rhéologie et d'agent activant puis on a malaxé le tout à 1500 tr/min (+/- 250 tr/min) pendant 5 min pour obtenir un coulis (exemples 5, 6 et 9) dont on a déterminé les propriétés. Le coulis de l'exemple 7 a été 15 obtenu en malaxant pendant 5 min l'eau et un mélange précurseur composé de laitier de haut fourneau, de silice et d'agent de contrôle de la rhéologie, puis en ajoutant l'agent activant et en malaxant le tout pendant 5 min. Le coulis de l'exemple 8 a été obtenu en malaxant pendant 4h l'eau et un mélange précurseur composé de laitier de haut fourneau, de silice d'agent de contrôle de la rhéologie, puis en ajoutant l'agent 20 activant et en malaxant lE- tout pendant 5 min. Les propriétés de ces deux derniers coulis ont également été déterminées. Tableau 2 ! Ex. 5 Ex. 6 Ex. 7 Ex. 8 Ex. 9 i Eau, (Lii-i-i i 578 502 578 578 578 , 1 Bentonite soclioLe. c r - 20 10 5 5 10 «four! 20 00 20 ",0 ...i _ _ 1 I l,:cil ' i Laitier de hFitit, - i-- i Soude (iii:g.:m ) 6 5 6 6 ' 1200 1000 1000 1000 Silice (kg/m3) 1000 C/E 0,22 0,21 0,22 0,22 0,22 Solide/eau 1,98 2,62 1,98 1,98 1,98 Viscosité Marsh (s) nd nd 44,4 43,7 59 Densité 1,75 1,86 1,74 1,74 1,74 Ressuée 1h (/o) 1 o 4 Ressuée 2h (%) 1 1 5 5 2 Ressuée 4h (%) 2 2 nd nd nd Rc 7j (MPa) 1,3 1,5 1,25 1 1,2 Rc 28j (MPa) 2,05 2,5 1,8 1,7 1,95 ' Conductivité thermique, (VV/mK) nd 2,4 nd 2,2 2,25 1 et 3 : cf. tableau 1 commercialisé par la société Ecocem sous la dénomination Laitier Ecocem commercialisée par la société VVVR sous la dénomination Hydroxyde de sodium 5 nd : non déterminé On peut constater à la lecture des tableaux 1 et 2 que le coulis conforme à l'invention possède une conductivité thermique (>2 W/m.K) compatible avec son utilisation pour la pose de sondes géothermiques. On constate également que les coulis avec un laitier de haut fourneau (exemples 5 à 9) ont des propriétés comparables voire supérieures à celles des coulis avec ciment, en particulier en ce qui concerne la résistance à la compression et la durabilité. La présente invention fournit donc, dans l'une de ses variantes, des moyens de mise en oeuvre écologiques et performants pour la pose de sondes géothermiques.15 REVENDICATIONS1. Méla ge pour coulis pour sonde déothermique, qui comprend : (a) un maeriau e prise hydri.--iureJ, choisi parmi un ciment de type CEM III et un laitier de haut fourneau, (b) éventuellement, un agent de contrôle de la rhéologie, et (c) de la silice ayant une D50 > 65 pm, le rapport pondéral [(a) + (b)] / (c) étant compris dans la gamme allant d'environ 20:80 à environ 5:95. 2. Mélange selon la revendication 1, dans lequel les ingrédients (a), (b) et (c) représentent au moins 90% en poids, de préférence au moins 95% en poids du mélange. 3. Mélange selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le matériau à prise hydraulique est un ciment de type CEM III. 4. Mélange selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le matériau à prise hydraulique est un laitier de haut fourneau, et le mélange comprend un agent de contrôle de la rhéologie. 5. Mélange selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'agent de contrôle de la rhéologie est une argile naturelle ou modifiée. 6. Mélange selon la revendication 5, dans lequel l'argile naturelle ou modifiée est la bentonite. 7. M lange selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le laitier de haut fourneau est b:-oyé avec une finesse comprise dans la gamme allant d'environ 2500 à environ 5000 Blaine, de préférence dans la gamme allant d'environ 3500 à environ 4500 Blaine. 8. .ngo selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le matériau à prise hydraul.,L:e est un laitier de haut fourneau, qui comprend en outre (d) un agent activant à raison d'environ 2,5 à environ 5% du poids de laitier de haut fourneau. Y. Coulis pour sonde géothermique comprenant, pour 1m3 de coulis, environ 500 L à environ 600 L d'eau, environ 1000 kg à environ 1300 kg du mélange selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Coulis selon la revendication 9, qui comprend en outre un agent activant à 10 raison d'environ 2,5 à environ 5% du poids de laitier de haut fourneau contenu dans ledit mélange. 11. Coulis pour sonde géothermique comprenant, pour 1m3 de coulis, environ 500 L à environ 600 L d'eau et environ 1000 kg à environ 1300 kg du mélange selon la 15 revendication 8. 12. Coulis selon l'une des revendications 9 à 11, qui possède une conductivité thermique supérieure ou égale à environ 2 VV/m.K. 20 13. Coulis selon l'une des revendications 9 à 12, qui possède à l'état durci une résistance mécanique à la compression à 28 jours comprise dans la gamme allant d'environ 1MPa à environ 3 MPa. 14. Procédé de mise en place d'une sonde géothermique, qui comprend une étape 25 d'injection du coulis tel que défini dans l'une des revendications 9 à 13. 15. Procédé selon la revendication 14 mettant en oeuvre le coulis défini à la revendication 9, ledit procédé comprenant en outre une étape d'activation du laitier de haut fourneau. 30