Physical and mechanical characterization of deep water sediments
Caractérisation physique et mécanique des sols marins d'offshore profond
Résumé
Offshore oil exploration and production has been enlarged to the continental slope and some fields are now being developed in Gulf of Mexico and Gulf of Guinea in water depths from 1500 to 2000m. The sediments encountered by great water depths on the continental slope of the Gulf of Guinea are composed or very fine particles and are characterized by very high water contents (w >100%), very high plasticity (IP>80), moderate sensitivity (3< St <5) and strong potential in shear strength regain due to thixotropy. Moreover, a crust zone of anomalous high strength immediately below the seabed has been reported in several deepwater oilfields. These characteristics are different from sediments of Gulf of Mexico. The aim of the experimental studies presented in this thesis is to improve the understanding of the soil behaviour and to investigate the effect of their nature (mineralogy, physico-chemistry) and microstructure. Bioturbation and geochemical changes in the sediment have been thought as possible causes for the crust zone. The effect of sedimentation rate's change in this zone during the last ice age is also discussed. Bioturbation has been shown in previous studies to affect geotechnical engineering properties. Mechanical and physicochemical measurements have been performed on samples coming from sites with and without crust zone. At this stage, the origin of the crust zone remains partially unknown. Several improvements in testing procedures for the identification of soils have been proposed (measurement of water content, organic matter content, mineralogy, grain size distribution). In order to understand the thixotropy characterization of soft deep marine soils, some rheological tests have been also carried out on rheometer following an existing approach for colloidal suspensions like drilling mud. The mechanical behaviour of marine soils has been investigated through a large number of triaxial and oedometric tests. The mechanical behaviour of Gulf of Guinea soils is characterized by very high compressibility weakly correlated with the index properties, contrary to what usually observed in clayey soils. Progressive breakdown of the sediment initial structure under compression and shearing has also been observed. Once this occurs the soil tends to behave as its parent remoulded soil. The effect of structure on the mechanical behaviour of Gulf of Guinea sediments seems well related with their sensitivity as observed in many continental types of clay. The soil microstructure has also been examined by using Scanning Electron Microscopy and Mercury Intrusion Porosimetry. Observation carried out on intact and remoulded soils and on soils consolidated at various levels in one dimensional compression allowed an insight into soils destructuration features.
L'exploration et la production pétrolière en mer s'étendent vers des profondeurs d'eau sans cesse croissantes. Dans le Golfe de Guinée ou le Golfe du Mexique, les compagnies pétrolières exploitent actuellement des champs situés par des profondeurs d'eau de 1500 m à 2000 m. Les sols marins rencontrés sur ces zones d'offshore très profond présentent des caractéristiques particulières, différentes de celles des sédiments rencontrés sur le plateau continental. Ces sont essentiellement des sédiments argileux très fins normalement consolidés ou sous-consolidés dotés d'un comportement mécanique spécifique et complexe. La résistance au cisaillement non drainé est en général très faible, mais curieusement, sur certaines zones, on trouve en surface une couche avec des cohésions dix fois plus élevées qu'au dessous. Les approches conventionnelles ne permettent pas d'expliquer cette couche indurée. L'objectif de cette thèse a été d'améliorer la compréhension du comportement mécanique de ces sols de grandes profondeurs et d'étudier en particulier l'effet de la minéralogie, de la physico chimie et de la microstructure. Plusieurs hypothèses ont été envisagées pour expliquer l'origine de la couche indurée en surface : effet physico-chimique, bioturbation, vitesse de sédimentation. Les mesures physico chimiques et mécaniques effectuées sur des carottes disponibles ne permettent pas de trancher de façon définitive. Il est probable qu'il n'existe pas une cause unique. Plusieurs améliorations des procédures des essais d'identification des sols ont été proposées (teneur en matière organique, minéralogie, granulométrie). Les propriétés thixotropes de ces sols grands fonds ont été caractérisées par des mesures rhéologiques. Le comportement mécanique des sols a été étudié par des essais oedométriques et des essais triaxiaux. Les sédiments des grands fonds du Golfe de Guinée sont caractérisés par une forte compressibilité, éventuellement liée à la présence importante de smectite. La déstructuration du sol naturel en cours de compression a été bien observée. Les conditions expérimentales et les procédures opérationnelles d'essais triaxiaux drainés et non drainés sous très faibles contraintes ont été améliorées. La sensibilité des sédiments s'est démontrée être un paramètre bien adapté pour décrire le comportement d'un sédiment naturel structuré tel que celui du Golfe de Guinée. La microstructure du sol a été étudiée à l'aide d'analyse de Porosimétrie au Mercure et d'observations au Microscope Électronique à Balayage. Les observations ont apporté des éléments nécessaires pour clarifier le mécanisme de déstructuration du sol au niveau inter-aggrégats.
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