Réalisation · Géoscience & étude du sous-sol
Caractériser la déformation des roches sous conditions extrêmes : cellule d'essai triaxial haute pression sur mesure
Pour un grand centre de recherche universitaire en géosciences, IRIAN Mecatronics a conçu et fabriqué une cellule d'essai triaxial haute pression et haute température. L'équipement reproduit les conditions géologiques profondes (150 MPa, 150°C) pour mesurer avec une résolution micrométrique la déformation et la perméabilité d'échantillons de roche en présence de fluides corrosifs.
01 — La question de recherche
Comment caractériser le comportement d'un matériau poreux sous contraintes multiples et en milieu réactif ?
Étudier le comportement mécanique et hydraulique d'un matériau solide poreux, comme une roche, exige de maîtriser simultanément plusieurs paramètres : une pression de confinement qui simule la profondeur, une contrainte axiale qui simule les forces tectoniques, une pression de fluide dans les pores et une température. La fiabilité de l'étude dépend de la capacité à contrôler ces paramètres de manière stable et à mesurer les très faibles déformations et débits qui en résultent.
Ce projet visait à reproduire les conditions des environnements géologiques profonds pour caractériser les propriétés de roches. Aucun équipement sur catalogue ne combinait l'ensemble des exigences : l'application simultanée de très hautes pressions (confinement jusqu'à 150 MPa, pore jusqu'à 100 MPa), d'une contrainte axiale élevée (500 MPa) à 150°C, tout en étant compatible avec des fluides corrosifs et en garantissant une très haute résolution de mesure sur des essais de longue durée. Il fallait donc concevoir un système d'essai triaxial HPHT entièrement sur mesure.
Maintenir une stabilité de régulation et une résolution de mesure micrométrique sur des essais de longue durée, tout en soumettant l'échantillon à des pressions et températures extrêmes avec des fluides corrosifs.
02 — Notre démarche
La démarche de conception : trois arbitrages pour garantir la fiabilité des mesures
Atteindre les performances visées a reposé sur des choix de conception ciblés pour lever trois difficultés principales : la stabilité des pressions pour les mesures de faible débit, la compatibilité chimique du circuit de fluide de pore, et la précision de la mesure de déformation.
-
Garantir une stabilité de pression absolue pour les mesures de très faible débit
Mesurer une perméabilité très faible (jusqu'à 10⁻¹⁷ m²) exige une stabilité parfaite des pressions de pore. Le principe retenu assure un débit massique parfaitement continu, sans les oscillations typiques des systèmes à simple piston qui fausseraient la mesure. Cette stabilité permet de quantifier des perméabilités extrêmement faibles et de maintenir des conditions constantes sur des essais de plusieurs semaines.
-
Isoler le circuit de pression de pore pour l'utiliser avec des fluides corrosifs
Le fluide injecté dans la roche peut être un acide ou une base forte, qui attaquerait les aciers standards à haute température. La solution consiste à isoler ce fluide dans un circuit dédié dont tous les matériaux en contact sont chimiquement inertes. L'utilisateur peut ainsi tester une large gamme de fluides réactifs sans risque de corrosion, de contamination ou de fausser les résultats, un enjeu clé en géochimie corrosive.
-
Mesurer la déformation de l'échantillon, et non celle de la machine
Une mesure précise de la déformation de la roche est souvent polluée par la compliance du bâti et du piston de la presse. Pour s'affranchir de ces déformations parasites, le capteur de déplacement a été placé au plus près de l'échantillon. L'utilisateur obtient ainsi une courbe contrainte-déformation qui reflète fidèlement le comportement intrinsèque du matériau.
03 — Au-delà de ce projet
Votre application partage-t-elle les mêmes contraintes ?
Énergie : stockage H2, captage CO2
Le comportement à long terme de roches de réservoir ou de ciments en présence de H2 ou de CO2 supercritique est une contrainte commune. Le principe de confinement triaxial, la régulation de pression de pore et la mesure de perméabilité et de déformation resteraient identiques.
Matériaux avancés / Composites
L'étude de la tenue mécanique et du vieillissement de matériaux sous contraintes multi-axiales en environnement sévère est un besoin similaire. Le principe d'application de contraintes contrôlées, la mesure de déformation de précision et le contrôle thermique sont directement transposables.
Génie des procédés / Pharmacie
Pour étudier la compaction de poudres ou granulés, la mesure de la perméabilité à un fluide sous forte contrainte est une problématique partagée. Le principe d'application d'une contrainte axiale et d'une pression de pore, ainsi que la mesure de très faibles débits, restent pertinents.
04 — Fiche technique
Les valeurs de ce projet. Chaque équipement étant conçu sur mesure, elles s’adaptent à votre cahier des charges.
Afficher les caractéristiques · Jusqu'à 150 MPa (1500 bar), précision ±0,2 MPa · Jusqu'à 500 MPa (5000 bar), précision ±0,2 MPa · Jusqu'à 100 MPa (1000 bar), précision ±0,2 MPa
| Pression de confinement | Jusqu'à 150 MPa (1500 bar), précision ±0,2 MPa |
|---|---|
| Contrainte axiale | Jusqu'à 500 MPa (5000 bar), précision ±0,2 MPa |
| Pression de pore | Jusqu'à 100 MPa (1000 bar), précision ±0,2 MPa |
| Température | Jusqu'à 150°C (extensible à 200°C), régulation ±1°C |
| Gamme de mesure de perméabilité | 10⁻¹³ m² à 10⁻¹⁷ m² |
| Résolution mesure déformation axiale | ±1 µm |
| Résolution mesure volume des pores | ±0,001 cm³ |
| Taille échantillon standard | Ø 20 mm x 40 mm |
IRIAN Mecatronics conçoit et fabrique des équipements haute pression et haute température sur mesure pour les laboratoires de recherche, les centres techniques et les industriels.
Découvrir la sociétéIls nous font confiance
05 — FAQ
Questions fréquentes
Peut-on adapter ce système d'essai triaxial pour des températures supérieures à 150°C ?
Oui, la conception de cet équipement est prévue pour être extensible jusqu'à 200°C. Une telle évolution impliquerait une revue de la sélection de certains matériaux et des technologies d'étanchéité pour garantir la fiabilité et la sécurité à plus haute température. Le principe général de l'équipement resterait inchangé.
Comment le banc gère-t-il l'injection de gaz comme le CO2 supercritique ou l'hydrogène ?
Le principe de régulation de pression et de mesure de débit est adaptable aux gaz. Les principaux changements porteraient sur les matériaux en contact avec le fluide, pour prévenir par exemple la fragilisation par l'hydrogène, et sur les algorithmes de contrôle pour gérer la forte compressibilité du gaz. Les systèmes de sécurité seraient également renforcés en conséquence.
Est-il possible d'intégrer des mesures acoustiques (ondes P & S) sur cette cellule triaxiale ?
Oui, l'architecture de la cellule a été pensée pour permettre l'intégration future de transducteurs ultrasoniques. Cela demande d'aménager des passages et des interfaces mécaniques spécifiques sur les pistons de compression sans compromettre la tenue en pression. C'est une option courante sur nos équipements HPHT pour les géosciences et l'étude du sous-sol.
Quel est le processus de validation d'un équipement aussi complexe avant livraison ?
Chaque équipement sur mesure suit notre processus qualité certifié ISO 9001. Après la conception par notre bureau d'études intégré et la fabrication, nous réalisons des tests d'acceptation en usine (FAT) dans nos ateliers. Le client vient alors vérifier que toutes les performances du cahier des charges sont atteintes avant que l'équipement ne soit expédié, installé et mis en service sur son site.
Votre projet de R&D bute sur la caractérisation d'un matériau en conditions extrêmes ?
Décrivez-nous votre contrainte. Notre bureau d'études analyse la faisabilité et revient vers vous.
Réalisations similaires
Géoscience & étude du sous-sol
Banc d’essai uniaxial 3-en-1 (CUT) pour la caractérisation de roches pétrolières
Géoscience & étude du sous-sol
Cellule triaxiale transparente aux rayons x : analyse in-situ en tomographie 3D
Géoscience & étude du sous-sol
Carotteuse de grande précision
Géoscience & étude du sous-sol
Maîtrise de la corrosion carbonique sous 140 bar : Ingénierie d’un banc de caractérisation en Hastelloy C-276