Méthodes et technologies de cimentation des puits : comment préparer et injecter le mortier de bouchage

Après le forage d'un puits dans des sols sableux meubles, vient une étape visant à renforcer les tubes du tubage. Il faut également protéger le tronc des dommages, des effets agressifs des eaux souterraines, de la corrosion et d'autres phénomènes négatifs. Il s'agit du processus de cimentation des puits.

Réaliser le travail de cimentation soi-même est assez difficile, mais possible, si l'on connaît les technologies de mise en œuvre. Nous vous expliquerons pourquoi il est nécessaire de procéder à la cimentation et à quoi faire attention lors des travaux. Pour plus de clarté, le matériel contient des photos et des vidéos thématiques.

Pourquoi cimenter un puits ?

Le cimentation du puits – est un processus qui suit immédiatement la fin des travaux de forage. La procédure de cimentation consiste à introduire dans l'espace annulaire ou intertubulaire (si le tubage est placé à son tour dans un tube en polyéthylène plus large) une boue de ciment qui, avec le temps, durcit, formant un tronc de puits monolithique.

Le mortier de ciment est alors appelé « mortier de bouchage », et le processus lui-même est le « bouchage ». Un processus d'ingénierie complexe, appelé technologie de cmentation des puits, nécessite des connaissancs spécifiques et un équipement spécial.

Dans la plupart des cas, les sources d'eau peuvent être bouchées par soi-même, ce qui revient bien moins cher que de faire appel à des spécialistes.

La cmentation des puits est un ensemble de mesures visant à renforcer l'espace annulaire et le tubage contre la pression latérale destructive des roches et l'action des eaux souterraines.

Un bouchage correctement effectué des puits d'eau contribue à :

• assurer la solidité de la structure du puits ;
• protéger le puits des eaux souterraines et de surface ;
• renforcer le tube de tubage et le protéger de la corrosion ;
• augmenter la durée de vie de la source d'eau ;
• éliminer les grands pores, vides, interstices à travers lesquels des particules indésirables peuvent pénétrer dans l'aquifère ;
• remplacer la boue de forage par le mortier de ciment, si la première a été utilisée lors du forage.

La qualité de l'eau extraite et les caractéristiques de fonctionnement du puits dépendront de la manière dont la cimentation a été réalisée. La cimentation est également effectuée pour les puits en fin de vie qui ne seront plus exploités.

Étapes de la cimentation d'une source d'eau

L'ensemble du processus de cimentation se compose de plusiers étapes, chacune ayant ses particulariés :

1. Préparation de la boue d'obturation pour remplir l'espace annularie.
2. Acheminement du ciment préparé vers le puits.
3. Injection de la boue d'obturation dans l'espace annulaire.
4. Période de durcissement du coulis de ciment.
5. Vérification de la qualité de la cimentation.

Chaque étape nécessite l'utilisation d'outils et d'équipements spécifiques. Il est préférable de calculer les matériaux nécessaires avant le début des travaux d'obturation, car le processus d'obturation doit être continu et si vous manquez, par exemple, de coulis de ciment, cela aura un effet très négatif sur la qualité de la cimentation. Examinons de manière plus détaillée les étapes les plus importantes.

Dans de rares cas, les puits aquifères n'ont pas besoin de cimentation ; il s'agit de puits dont toute la profondeur traverse des sols argileux dens.

Étape n°1 – préparation de l'équipement

Tous les travaux de cimentation des puits aquifères doit être effectués strictement conformément aux éxigences techniques, dont la violation entraînera une cimentation de mauvaise qualité.

En commençant l'obturation du puits, sachez qu'il s'agit d'un processus irréversble ; il est impossible de corriger quoi que ce soit après le début de l'injection du coulis dans l'espace annularire du puits. Par conséquent, il faut aborder les travaux préparatoires, notament la préparation du coulis de ciment et le chox de l'équipement, avec le plus grand sérieux.

La façon la plus simple et la plus efficace est la location d'équipement sur une plateforme de véhicules. Un tel complexe peut préparer le coulis de ciment et le pomper sous pression dans le puits, la source d'énergie pour le fonctionnement de l'équipement étant un puissant moteur de véhicule.

Si l'utilisation d'unités basées sur un véhicule spécialisé est impossible, alors vous aurez besoin de :

• un malaxeur pour préparer la solution de ciment ;
• une pompe haute presson qui effoule la solution vers le puits ;
• une tête de cimentation pour injecter la solution à l'intérieur du puits ;
• des bouchons de remplissage (le nombre dépend de la méthode de cimentation) ;
• divers petits éqipements (tuyaux, récipients de mesure).

En ce qui concerne le tuyau, de nombreu spécialistes recommandent d'utiliser un tuyau d'incendie flexible au lieu des tubes traditionnels en PEHD d'un diamètre de 32 cm. Il est plat et passe parfaitement dans l'espace intertubulaire, assurant un apport efficace de la solution.

L'éqipement de cimentation des puits a de gandes dimensions et nécésite une source d'énérgie puissante, par exemple un compresseur, un générateur, un accès ininterrompu au réseau électrique.

Étape n°2 – préparation du mortier

La solution de cimentation pour le puits doit répondre à toute une série d'exigences et posséder :

• de hautes propriétés adhésives avec des surfaces de tout type ;
• une résistance élevée après durcissement, une résistance aux contraintes mécaniques ;
• de la plasticité et une bonne fluidité pour remplir toutes les fissures et vides ;
• une neutralité chimique vis-à-vis des couches de sol traitées ;
• une résistance à l'érosion par les eaux souterraines ;
• l'absence de retrait au durcissement.

Aussi, la solution doit avoir une consistance telle qu'elle puisse être livrée sans problème au puits et injectée. La solution doit bien se rincer de l'équipement, ne pas être chimiquement agressive à son égard et avoir un coefficient de perte minimal lors du transport vers le puits.

La solution de cimentation utilisée doit avoir une structure suffisamment liquide pour être pompée par l'équipement d'injection tout en ayant des caractéristiques de résistance élevées.

Le processus de préparation de la solution de ciment pour le colmatage consiste à mélanger uniformément les composants, puis à les ajouter à l'eau dans laquelle des additifs spéciaux ont été préalablement dissous.

Les solutions les plus simples que l'on peut préparer soi-même sont :

1. Ciment Portland + sable quartzeux (1:1) + additifs spéciaux et eau jusqu'à obtention de la consistance voulue. Une telle solution a une faible densité et sa préparation est complexe car le sable qu'elle contient se dépose souvent et l'utilisation de la solution devient impossible.
2. Ciment Portland + baryte (1,1:1) + additifs spéciaux et eau. L'inconvénient de cette solution – est sa faible résistance.
3. Ciment Portland + charge. Comme charge, on utilise de l'amiante (sur les sols sableux), des matériaux fibreux.

Pour préparer le mélange de cimentation, il est préférable d'utiliser du ciment Portland de puits, qui est une variété de ciment à base de silicates.

Ce ciment coûte certes plus cher que le ciment Portland ordinaire, mais ses caractéristiques de résistance sont bien supérieures. La baryte est un minéral lourd qui augmente la densité du mortier. Vous pouvez vous procurer de la baryte dans un magasin de matériaux de construction vendant des matériaux en vrac.

Par additifs spéciaux entrant dans la composition des mortiers de cimentation, on entend diverses substances qui confèrent au mortier des propriétés particulières.

On y trouve :

• accélérateurs de prise du ciment (chlorure de calcium, soude calcinée, potasse), utilisés si la cimentation a lieu à une température inférieure à +5 degrés ;
• retardateurs de prise, utilisés pour empêcher un durcissement rapide (ce sont les chlorures de calcium ou de sodium, le nitrite de sodium, etc.) ;
• plastifiants pour obtenir une viscosité optimale (modificateurs polymères) ;
• additifs antigel (composés organosiliciés associés à des plastifiants) ;
• additifs absorbant l'humidité (substances dérivées de composés appartenant aux groupes des acides saccharique, citrique, tartrique et tétraoxyadipique) et autres.

Les additifs spéciaux sont mélangés dans l'eau, qui est ensuite utilisée pour préparer la boue de cimentation. La solution est mélangée à l'aide de machines spéciales – des mélangeurs. Un malaxage manuel est parfois autorisé, mais il nécessite une certaine habileté et un travail important.

La pierre de ciment formée lors du durcissement du ciment Portland possède des propriétés de résistance élevées, supporte les charges, les contraintes mécaniques et physiques.

Étape n°3 – injection du mortier dans le puits

Les principales méthodes de cimentation des puits sont :

• la cimentation continue ou en une seule étape ;
• la cimentation en deux étapes ;
• la cimentation par manchette ;
• la cimentation inverse.

Toutes les méthodes de cimentation des puits de captage d'eau sont basées sur un même principe – l'injection de la boue de cimentation dans l'espace annulaire. Le choix de la technologie de cimentation dépend des conditions spécifiques : type de sol, profondeur du puits, matériau des tubes de cuvelage, conditions climatiques et hydrogéologiques du site.

La technologie de colmatage du puits d'eau choisie doit garantir :

• le remplissage de toute la hauteur du puits avec le mortier ;
• l'expulsion complète du fluide de forage (le cas échéant) ;
• la création d'une pierre de ciment à haute résistance, résistante aux agressions physiques, mécaniques et chimiques ;
• un indice d'adhérence élevé avec les parois du sol du puits et les tubes de cuvelage.

Pour les puits profonds, on utilise la cimentation segmentaire, c'est-à-dire que ce n'est pas tout l'espace du puits qui est cimenté immédiatement, mais seulement ses segments individuels.

Ce processus est très complexe et la pratique montre qu'il est pratiquement impossible de le réaliser seul. Par conséquant, examinons plus en détail la technilogie de cimentation en une et deux étapes, ainsi que la cimentation à manchette.

Cimentation en une étap ou continue

Cette méthode est la plus couramment utilisée pour la cimentation des puits d'eau domestiques. Lors de sa mise en œuvre, le coulis de ciment est pompé dans l'espace annulaire.

Le coulis est pompé sous pression à l'aide d'un équipement installé sur la plate-forme d'un véhicule spécial ou de manière stationnaire près du puits. Sous son propre poids, le coulis de ciment se déplace vers le « sabot » de la colonne de tubage, remplissant toutes les cavités annulaires.

Les travaux de cimentation en une étape sont effectués en un seul cycle sans interruption, il faut donc veiller à disposer d'une quantité suffisante de coulis de ciment.

Avant le début des travaux de cimentation, on procède à un rinçage du puits, puis on introduit le bouchon inférieur, qui jouera le rôle de limiteur. La pompe à béton est mise en marche et l'injection de la solution de scellement commence, sous l'effet de laquelle le bouchon descend jusqu'à atteindre “le sabot” de la colonne de tubage.

Après le pompage du coulis, le bouchon supérieur est mis en place et le compactage du mélange de ciment commence jusqu'à ce que le bouchon supérieur bute contre le bouchon inférieur. Cela signifiera que le coulis a rempli tout l'espace annulaire. Le compactage est effectué par une presse vibrante à l'aide d'une injection supplémentaire de coulis par la pompe à béton.

Le puits cimenté est laissé au repos pendant 36 à 48 heures pour permettre une prise complète du coulis. Cette méthide ne convient qu'aux puits peu profonds et de configuratin régulière. L'inconvénient de cette méthide est l'impossibilité de suivre le moment où le coulis de ciment a atteint le point inférieur de l'axe du puits.

Système de coulée en deux étapes

Cette méthode de cimentation a été développée pour les puits de l'induistre pétroliére. En raison de la nécessité d'utiliser un équipement industriel lourd (une puissante pompe à béton), elle n'est pas souvient utilisée dans l'aménagement des puits. La cimentation en deux étapes est utilisée dans les cas suvants :

• la prise du coulis de ciment est si rapide qu'il est impossible de terminer la cimentation en un seul cycle ;
• lorsqu'il est nécesaire de séparer deux sections dans l'espace annulaire séparées par une distance significative ;
• lorsque la profondeur du puits est grande, rendant impossible la réalisation des travaux en un seul cycle.

Dans les autres cas, l'utilisation de la méthode en deux étapes n'est pas judicieuse en raison de la durée du processus et des considérations économiques.

La cimentation en deux étapes est plus longue car la deuxième étape commence après la prise complète du coulis de la première étape.

Le principe de la cimentation en deux étapes repose sur le fait que l'injection du ciment dans l'espace annulaire s'effectue en deux temps.

La première portion de coulis est chargée et refoulée. Le bouchon inférieur descend, et sous l'action de la solution, le bouchon descend au fond. La deuxième portion de coulis est injectée 12 à 36 heures après la prise complète de la première portion.

Dans la pratique du forage profond de puits artésiens, en présence de formations absorbantes dans la partie supérieure de la coupe géologique et dans d'autres cas, on utilise la cimentation en deux étapes.

Application de la méthode à manchette

Cette méthode de cimentation est utilisée s'il est nécessaire de renforcer uniquement la partie supérieure du puits. La première tâche consiste alors à déterminer le niveau jusqu'auquel la cimentation sera effectuée.

Le niveau est marqué sur le tubage par la mise en place d'une manchette spéciale. La partie inférieure de l'intervalle est alors protégée de manière fiable par la manchette contre la pénétration du coulis.

Le coulis est injecté exactement comme dans la cimentation en une étape. La méthode à manchette est utilisée si la partie supérieure du puits se trouve dans des sols sableux et la partie inférieure dans des sols argileux. Cela est assez rare, donc cette méthode n'a pas trouvé d'application large.

Processus de formation de la pierre de ciment

Le processus de formation de la pierre de ciment commence immédiatement après l'injection du coulis et dure de 12 à 36 heures. Les principaux facteurs influençant la durée de durcissement du coulis jusqu'à l'état de pierre de ciment sont :

• les propriétés des composants entrant dans la composition du coulis ;
• les sols, le matériau des colonnes de tubage ;
• les conditions hydrogéologiques et climatiques du site ;
• la densité d'injection, la bonne exécution du processus de cimentation.

Pendant la période de durcissement, il est nécessaire de laisser le puits au repos. Il est interdit d'utiliser des câbles, des barres à mine, du fil de fer pour évaluer la qualité de la cimentation, car cela pourrait compromettre l'intégrité de la pierre de ciment en formation.

Si vous ne savez pas combien de temps est nécessaire pour la prise complète du coulis de cimentation, attendez trois jours et procédez aux mesures de contrôle.

Évaluation de la qualité de la cimentation

Il convient de noter : bien que l'évaluation de la qualité de la cimentation des puits aquifères soit une étape très importante, il est impossible de la réaliser soi-même.

Pour ce faire, un équipement de laboratoire spécial est nécessaire, que l'on rencontre très rarement, même dans les organisations qui effectuent des forages.

Si vous avez néanmoins l'intention d'évaluer le colmatage effectué, vous pouvez commander le service de contrôle qualité de l'une des trois manières suivantes :

• acoustique, basé sur le martelage des parois du tubage, suivi du traitement des données obtenues par des programmes informatiques ;
• radiologique, lorsque la mesure est effectuée à l'aide d'appareils radio ;
• thermal, basé sur le principe de mesure de la chaleur dégagée lors du durcissement du coulis de ciment.

Dans des conditions “domestiques”, vous pouvez utiliser la méthode thermique simplifiée en mesurant la température aux parois du puits. Lorsqu'elle atteint la température ambiante et devient inférieure de 0,5 à 1,5 degrés, on peut alors parler d'un durcissement complet. Cependant, même après cela, il est recommané d'attendre 2 à 3 jours avant de mettre le puits en service.

Après la fin de la vérification, l'embouchure du puits est nettoyée des résidus de boue de ciment à l'aide d'une cuiller. Ensuite, un contrôle d'étanchéité est effectué, pour lequel de l'eau sous haute pression est injectée dans le tube du puits pendant 30 minutes. Le critère d'étanchéité sera une baisse de pression d'environ 0,3-0,5 MPa. Désormais, le puits est entièrement prêt à être utilisé.

L'étanchéité du colmatage augmente le débit du puits, prolonge la durée de vie des colonnes de tubage en les protégeant de la corrosion, ainsi que celle de la source d'eau elle-même.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Dans les vidéos ci-dessous, il s'agit de puits dans l'industrie pétrolière et gazière, mais le principe de la technologie de réalisation des travaux est le même que pour les puits d'eau.

Procédure de cimentage en une seule étape du puits :

Spécificité de la réalisation du cimentage à manchon :

Caractéristiques technologiques du cimentage en deux étapes :

Le cimentage – est un processus complexe qui nécessite l'utilisation d'équipement spécialisé. Cependant, cela ne signifie pas qu'il est impossible de le réaliser soi-même. En choisissant et en préparant correctement la boue de ciment, en utilisant un ensemble minimal d'équipements, il est tout à fait possible de mener à bien le travail par soi-même.

De toute façon, l'exploitation du puits sans renforcement du tronc par du ciment ne sera pas longue, et les coûts de forage d'une nouvelle source d'eau ne seront en rien moindres.

Si après avoir étudié le matériel, vous avez encore des questions sur la manière de bien cimenter un puits après le forage, ou si vous possédez des connaissances précieuses sur ce sujet, veuillez laisser vos commentaires dans le bloc ci-dessous.