Caractérisation par la mesure de perméabilité au gaz … · Caractérisation par la mesure de...

HAL Id: pastel-00004660https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00004660

Submitted on 30 Jan 2009

HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.

Larchive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine au dpt et la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publis ou non,manant des tablissements denseignement et derecherche franais ou trangers, des laboratoirespublics ou privs.

Caractrisation par la mesure de permabilit au gaz delendommagement mcanique et hydrique dans lEDZ

des argilites du Callovo-OxfordienDiansen Yang

To cite this version:Diansen Yang. Caractrisation par la mesure de permabilit au gaz de lendommagement mcaniqueet hydrique dans lEDZ des argilites du Callovo-Oxfordien. Sciences de lingnieur [physics]. coleNationale Suprieure des Mines de Paris, 2008. Franais.

https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00004660https://hal.archives-ouvertes.fr

ED n 430 - Matriaux, Ouvrages, Durabilit, Environnement et Structures

Nattribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H E S E

pour obtenir le grade de Docteur de lEcole des Mines de Paris Spcialit Gologie de lIngnieur

prsente et soutenue publiquement par Diansen YANG

le 19 Septembre 2008

Caractrisation par la mesure de permabilit au gaz de lendommagement mcanique et hydrique dans lEDZ des argilites du Callovo-Oxfordien

Devant un jury compos de :

Mme Vronique MERRIEN-SOUKATCHOFF Rapporteur M. Dashnor HOXHA Rapporteur M. Yu-Jun CUI Prsident M. Vincent BARBIN Examinateur M. Kun SU Examinateur M. Jean TALANDIER Examinateur M. Jol BILLIOTTE Examinateur

i

AVANT-PROPOS Ce travail de thse a bnfici dun support de lANDRA avec le financement de lARMINES et a t ralis au sein de lquipe de Gologie de lIngnieur et Gomcanique du Centre de Gosciences de lEcole des Mines de Paris. Je tiens tout dabord remercier vivement Monsieur Jol BILLIOTTE pour avoir accept dtre directeur de ma thse. Cest grce lui que ma thse a t ralise. Ses ides, sa grande curiosit, ainsi que sa disponibilit, son soutien et son aide avec patience et gentillesse tout au long de ces quatre annes mont t trs bnfiques. Je tiens exprimer mes sincres remerciements Monsieur Kun SU, mon conseilleur scientifique, qui a suivi inlassablement lvolution de mon travail. Ses prcieux conseils, ses srieux rdactions, son soutien sans faille, sa patience et ses encouragements mont permis de mener bien ce travail. Jadresse galement tous mes remerciements Madame Vronique MERRIEN-SOUKATCHOFF, Professeur lEcole des Mines de Nancy, et Monsieur Dashnor HOXHA, Professeur de lUniversit Orlans, qui mont fait lhonneur daccepter dtre rapporteurs de ces travaux et mont apport des critiques constructives. Je voudrais exprimer ma gratitude Monsieur Yu-Jun CUI, Professeur de lEcole des Ponts et Chausses, qui a accept de prsider mon jury de thse, et Messieurs Vincent BARBIN, Professeur lUniversit de Reims, et Monsieur de Jean TALANDIER, ingnieur de lAndra, qui ont accept de participer au jury et de juger mon travail. Jexprime aussi ma reconnaissance et mes remerciements Monsieur Jean Alain Fleurisson, directeur du Centre dEtudes Suprieures pour lExploitation des Carrires et des Mines Ciel Ouvert lEcole des Mines de Paris, qui mavait donn toute laide possible. Je remercie galement lensemble du personnel du Centre de Goscience (enseignants, chercheurs, thsards, techniciens, secrtaires) pour leur disponibili et le soutien dont jai profit tout au long de mon sjour. Un grand merci aussi tous mes amis fidles en Chine et en France pour leur amiti. Enfin je voudrais adresser toute ma gratitude mes parents pour leur soutien et pour mavoir support et encourag pendant ces annes et je noublie pas ma femme Liu-Feng CHEN, qui m'a toujours paul avec son amour et sa patience.

ii

RESUME Dans ltude de faisabilit dun stockage gologique profond des dchets radioactifs, les questions essentielles poses aux ingnieurs et chercheurs en gomcanique sont la stabilit des ouvrages pendant la priode de rversibilit et la variation des proprits de confinement de la roche hte induite par le creusement des cavits et par le stockage lui-mme. Le prsent travail porte sur ltude des proprits de confinement vis--vis des gaz des argilites du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute-Marne, tudi par lANDRA depuis 1995, au voisinage dun puits daccs.

Un protocole de mesure de la permabilit au gaz a t labor en prenant en compte la trs faible permabilit des argilites et les effets de dsaturation. Les trajets de chargement mcanique et de pression de gaz ont t dtermins par rapport aux chargements in situ. Deux mthodes dinterprtation, une fonde sur une solution analytique simplifie et lautre sur une solution numrique, ont t utilises pour dterminer la valeur de permabilit au gaz.

Des mesures de la permabilit au gaz sur des prouvettes prleves diffrentes distances, de 0,1 12,5 m, de la paroi du puits daccs au Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne ont t effectues pour caractriser lendommagement mcanique induit suite au fonage du puits. Les rsultats obtenus sous une contrainte isotrope de 11 MPa sont compris entre 10-21 et 10-22 m et ils ne prsentent pas de variations significatives entre la zone potentiellement endommage (prouvette proximit la paroi) et la zone prsume intacte (prouvette 12,5 m de la paroi). Ce rsultat est cohrent avec les caractrisations de lendommagement menes in situ. Sous chargement dviatorique, la variation des mesures de permabilit est infrieure dun ordre de grandeur par rapport celle mesure sous contrainte isotrope ; elle est donc peu significative compte tenu de la prcision du dispositif de mesure.

Des prouvettes jumelles dargilites supposs intactes ont subi diffrents paliers hydriques laide des solutions salines sursatures (HR variant de 25 % 98 %) pour constituer un cycle complet dsaturation - resaturation. Pour chacune des valeurs du degr de saturation, des mesures de permabilit ont t effectues. La cintique de dsaturation, la courbe de rtention, les dformations hydriques ainsi que la fissuration hydrique des prouvettes ont t mesures et analyses. La valeur du coefficient de diffusivit hydrique dtermine daprs lvolution de la masse des prouvettes est estime 5.10-10 m.s-1. La permabilit au gaz mesure des prouvettes, sous un confinement de 5 MPa, augmente de 10-21 m 10-18 m lorsque lhumidit relative laquelle les prouvettes ont t conditionnes varie de 98 % 25 %. La permabilit au gaz (k) et le degr de saturation (Sr) de la roche prsentent une relation quasi-linaire dans un repre log(k) - Sr. Lvolution de la permabilit au gaz en fonction dun dviateur de contraintes a aussi t tudie pour diffrents degrs de saturation. Les rsultats confirment que leffet du dviateur de contraintes sur la permabilit nest pas significatif, mme si le dviateur de contraintes dpasse le seuil dendommagement et sil est proche du seuil de rupture. Ces rsultats ont t compars ceux obtenus par dautres laboratoires utilisant des techniques diffrentes (Zhang 2007).

La dformabilit et la vitesse des ondes des prouvettes dargilites ont t suivies pendant les essais. La microstructure des argilites a t tudie laide de la porosimtrie au mercure. Les facteurs influenant la mesure de permabilit tels que : leffet Klinkenberg, la variation du degr de saturation pendant lessai, la dissolution du gaz et le dplacement deau par le gaz, et surtout ltanchit du systme, ont t abords dans cette tude.

Mots cls : Endommagement, EDZ, argilites, permabilit au gaz, transfert au gaz, dsaturation-resaturation

iii

ABSTRACT On the feasibility evaluation of nuclear waste storage in deep formations, the essential issues are as follows: the stability of underground structures over the reversible period, the influence of cavity excavation on geomechanical properties of the wall rock and the variation of those properties during the different phases while storage realization. The work presented here covers the investigations on the variation of geomechanical proprieties of the approximately 500 m deep MHM in France (mudstone in the departments of Meuse/Haute-Marne), chosen as a potential medium for nuclear waste disposal by ANDRA.

In order to measure the very low permeability of mudstone and to observe the dependency on saturation, a special test scheme on measurement of gas permeability has been developed. In the scheme, in situ referenced stresses have been chosen as the stresses acting on the solid matrix. The gas permeability has been determined with both analytical and numerical methods.

To estimate the mechanical damage of storage induced by the excavation, laboratory tests on gas permeability have been conducted on samples recovered from different locations situated at different distances from the wall of the main access shaft of the MHM (from 0,1 m to 12,5 m). Results of gas permeability obtained under an isotropic stress of 11 MPa vary between 10-21 and 10-22 m and do not show significant variations between damaged zones (near the wall) and intact zones (sample located 12 m from the wall). The observations in laboratory tests coincide with in situ damage characterizations. The variation of gas permeability under the cycle of loading and unloading is an order less than the initial value under the isotropic stress. Taking into account the precision of the testing system, this variation is not significant.

The oviparous intact samples have been imposed different saturations by salt solutions (with a relative humidity from 25 % to 98 %) to form a cycle of de- and re-saturation. The water retention curve, the kinetic dehydration, the dehydration shrink and wetting crack in samples were measured and analyzed. The coefficient of hydraulic diffusion determined from the evolution of mass is about 5.10-10 m.s-1. The gas permeability (k) under the isotropic stress of 5 MPa increases from 10-21 to 10-18 m when the imposed relative humidity decreases from 98 % to 25 %. A quasi-linear relation between log(k) and Saturation has been observed and mathematically formulated. The gas permeability as a function of deviator stress has also been studied and the results confirm that the effect of the deviator is not evident, even when the deviator excesses the damage threshold. These results coincide with Zhangs observations on the same rock of MHM.

The deformation and the acoustics velocity of samples have been traced during the tests and the microstructure of mudstone has been studied with the method of mercury intrusion. The factors influencing the measure of gas permeability, such as the Klinkenberg effect, the variation of saturation during the tests, the dissolution of gas in water and the water transformation due to the gas pressure, especially the leak tightness of the testing system, have been discussed in the study.

Keywords: damage, EDZ, mudstones of MHM, gas permeability, gas transfer, de- and re-hydration

i

SOMMAIRE

AVANT-PROPOS ..................................................................................................................... i RESUME...................................................................................................................................ii ABSTRACT .............................................................................................................................iii

Introduction gnrale............................................................................................................... 1

Chapitre 1 Etude bibliographique du transfert de gaz dans les roches argileuses en relation avec les phases dexcavation et de clture dun stockage souterrain ...................5 Introduction .............................................................................................................................. 5 1 Les problmatiques lies la ralisation du stockage................................................... 6

1.1 La problmatique dendommagement mcanique......................................................6 1.2 La problmatique du transfert de gaz dans le stockage .............................................6

2 Notions fondamentales ..................................................................................................... 8 2.1 Notions lies aux coulements multiphasiques non miscibles ...................................8 2.2 Le potentiel de leau en milieu poreux et la succion ................................................10 2.3 Les lois phnomnologiques de transfert en milieu poreux .....................................12

2.3.1 Loi de Darcy pour un coulement en milieu poreux satur..............................12 2.3.2 Loi de Fick........................................................................................................14 2.3.3 Loi de Henry.....................................................................................................14

3 Caractrisation physique des argilites du Callovo-oxfordien ................................... 15 3.1 Microstructure des argiles ........................................................................................17 3.2 Type de leau dans les matriaux argileux ...............................................................18 3.3 Caractristiques de lespace poreux des argilites du Callovo-Oxfordien................20

4 Transfert hydrique dans les argilites............................................................................ 24 4.1 Effet mcanique des phnomnes de dsaturation et de resaturation.....................24

4.1.1 Observations in situ ..........................................................................................24 4.1.2 Observations sur chantillons...........................................................................25

4.2 Mcanisme de transfert hydrique .............................................................................27 4.3 Diffusivit hydrique..................................................................................................28 4.4 Courbe de rtention ..................................................................................................32

5 Transfert du gaz sous pression...................................................................................... 33 5.1 Transfert du gaz dissous ...........................................................................................33 5.2 Transfert biphasique homogne (sans endommagement de la roche)......................34 5.3 Transfert de gaz par microfissuration.......................................................................36 5.4 Transfert par fracturation..........................................................................................37 5.5 La pression dentre de gaz ......................................................................................38 5.6 Synthse....................................................................................................................40

6 Conclusions ..................................................................................................................... 40

Chapitre 2 Mesures de la permabilit au gaz.................................................................... 43 Introduction ............................................................................................................................ 43 1 Les diffrentes mthodes de mesure de la permabilit.............................................. 44

1.1 Mthodes en rgime permanent................................................................................44 1.2 Mthode en rgime transitoire..................................................................................46 1.3 Autres mthodes de mesure ou dvaluation de la permabilit ..............................48

2 Mesure de la permabilit au gaz par la mthode Pulse test ................................... 49 2.1 Le principe de Pulse test ........................................................................................49

ii

2.2 Equation gnrale de la diffusion du gaz dans lchantillon ................................... 50 2.3 Solutions de lquation ............................................................................................ 53 2.4 Optimisation des paramtres.................................................................................... 55

3 Dispositif exprimental de mesure de permabilit.....................................................56 4 Interprtation de la permabilit ..................................................................................58

4.1 Mthode de Brace .................................................................................................... 58 4.2 Mthode des abaques numriques............................................................................ 59 4.3 La mthode dinversion ........................................................................................... 60

5 Validation du banc de mesure de permabilit............................................................61 5.1 Etudes de ltanchit du systme gaz..................................................................... 61 5.2 Prise en compte des effets thermiques et dautres effets parasitaires ...................... 64

5.2.1 Correction lies la variation de temprature ................................................. 64 5.2.2 Correction lies au flux rsiduel du systme ................................................... 65

6 Conclusions......................................................................................................................65

Chapitre 3 Caractrisation par la mesure de la permabilit au gaz des prouvettes dargilites du champ proche dun puits ............................................................................... 67 Introduction.............................................................................................................................67 1 La problmatique de lEDZ ...........................................................................................68 2 Caractrisation in situ de lEDZ autour du puits du LSMHM - Exprimentation REP.......................................................................................................................................... 69

2.1 Introduction de lexprimentation REP ................................................................... 69 2.2 Comportement mcanique ....................................................................................... 71 2.3 Mesure de vitesse de propagation des ondes ........................................................... 73 2.4 Mesures de la pression interstitielle et de permabilit ........................................... 74 2.5 Synthses des rsultats in situ .................................................................................. 76

3 Caractrisation de lendommagement sur prouvettes...............................................77 3.1 Prparation des prouvettes ..................................................................................... 78 3.2 Procdure dessais.................................................................................................... 80 3.3 Rsultats exprimentaux .......................................................................................... 82

3.3.1 Endommagement caractris par la permabilit au gaz ................................. 82 3.3.1.1 prouvette EST20567-1, la plus loigne de la paroi (12,45 m)................ 83 3.3.1.2 prouvette EST20567-2, la plus loigne de la paroi (12,51 m)................. 87 3.3.1.3 prouvette EST20512-1, la plus proche de la paroi (0,45 m)...................... 89 3.3.1.4 prouvette EST20512-2, la plus proche de la paroi (0,52 m)...................... 91 3.3.1.5 prouvette EST20512-3, la plus proche de la paroi (0,59 m)...................... 93 3.3.1.6 prouvette EST20514-1, proximit immdiate de la paroi (0,10 m)......... 94 3.3.1.7 Synthse ....................................................................................................... 95

3.3.2 Caractrisation dendommagement mcanique par la dformabilit............... 97 3.3.2.1 prouvette EST20567-1, la plus loigne de la paroi (12,45 m)................. 98 3.3.2.2 prouvette EST20567-2, la plus loigne de la paroi (12,51 m).............. 100 3.3.2.3 prouvette EST20512-1, la plus proche de la paroi (0,45 m).................... 101 3.3.2.4 prouvette EST20512-2, la plus proche de la paroi (0,52 m).................... 102 3.3.2.5 prouvette EST20512-3, la plus proche de la paroi (0,59 m).................... 103 3.3.2.6 prouvette EST20514-1, proximit immdaite de la paroi (0,10 m)......... 104 3.3.2.7 Synthse ..................................................................................................... 105

3.3.3 La vitesse des ondes ultrasonores .................................................................. 106 3.3.4 Microstructure des argilites............................................................................ 107

3.4 Discussions ............................................................................................................ 110 3.4.1 Pression dentre du gaz ................................................................................ 110

iii

3.4.2 Rupture des prouvettes .................................................................................112 3.4.3 Evaluation de leau dplace pendant lessai .................................................113 3.4.4 Evaluation de la contribution dune diffusion du gaz dans leau ...................115

3.4.4.1 Lquation diffusion de gaz et les conditions.............................................115 3.4.4.2 Simulation numrique ................................................................................116

4 Caractrisation de la permabilit sur une prouvette fracture (EST12491-2) ...118 4.1 Mesure de la permabilit.......................................................................................119 4.2 Etude de la dformation..........................................................................................121

5 Conclusions ................................................................................................................... 123

Chapitre 4 Caractrisation de la permabilit au gaz des argilites en fonction du degr de saturation..........................................................................................................................125 1 Procdure exprimentale ............................................................................................. 126

1.1 La prparation et la caractrisation pralable des prouvettes ...............................127 1.2 Le conditionnement hydrique.................................................................................129 1.3 Mesure de la permabilit.......................................................................................131

2 Rsultats des mesures des prouvettes pendant le conditionnement hydrique ......132 2.1 Courbe de sorption- dsorption et de rtention ......................................................132 2.2 Le coefficient de diffusivit hydrique ....................................................................135 2.3 Retrait et fissuration ...............................................................................................137

3 Rsultats des mesures de permabilit au gaz en fonction du degr de saturation sous contraintes isotropes ....................................................................................................139

3.1 Eprouvette ltat naturel (N5) ...........................................................................139 3.2 Eprouvettes ayant subi une dsaturation (prouvettes N2f, 4 et 2).......................139 3.3 Eprouvettes ayant subi une rsaturation (prouvettes N1, 2, 3 et 6).....................139 3.4 Synthse..................................................................................................................142 3.5 Discussions .............................................................................................................145

3.5.1 Variations de masse des prouvettes dargilites pendant les mesures de la permabilit au gaz.........................................................................................................145 3.5.2 Influence de la contrainte applique sur le degr de saturation......................145 3.5.3 Vrification de la porosit estime exprimentale .........................................147

4 Mesures de la permabilit au gaz en fonction du dviateur de contraintes et pour diffrents degrs de saturation ............................................................................................148

4.1 La permabilit au gaz en fonction de la contrainte dviatorique..........................148 4.1.1 Mesures pour un degr de saturation de 91 % (prouvette N1)....................148 4.1.2 Mesures pour un degr de saturation de 81 % (prouvette N5)....................149 4.1.3 Mesures pour un degr de saturation de 79 % (prouvette N2f) ..................150 4.1.4 Mesures pour un degr de saturation de 60 % (prouvette N3)....................153 4.1.5 Mesures pour un degr de saturation de 51 % (prouvette N2)....................154 4.1.6 Mesures pour un degr de saturation de 43 % (prouvette N4)....................155 4.1.7 Mesures pour un degr de saturation de 23 % (prouvette N3)....................156 4.1.8 Synthse..........................................................................................................158

4.2 Analyse de la dformabilit en fonction de la contrainte dviatorique ..................164 4.2.1 Mesures pour un degr de saturation de 91 % (prouvette N1)....................166 4.2.2 Mesures pour un degr de saturation de 81 % (prouvette N5)....................167 4.2.3 Mesures pour un degr de saturation de 79 % (prouvette N2f) ..................168 4.2.4 Mesures pour un degr de saturation de 60 % (prouvette N3)....................169 4.2.5 Mesures pour un degr de saturation de 51 %(prouvette N2).....................170 4.2.6 Mesures pour un degr de saturation de 43 % (prouvette N4)....................170 4.2.7 Mesures pour un degr de saturation de 23 % (prouvette N3)....................171

iv

4.2.8 Synthse ......................................................................................................... 172 4.3 Vitesse des ondes ultrasonores............................................................................... 173 4.4 Etude texturale des prouvettes aprs essai ........................................................... 174

5 Conclusions....................................................................................................................178

Chapitre 5 Conclusions gnrales et perspectives.............................................................181

Bibliographie .........................................................................................................................187

Annexe A Identification du flux parasite........................................................................197 Annexe B Quantification du coefficient de diffusivit hydrique ..................................201 Annexe C Variations exprimentales et numriques de la masse des prouvettes lors du conditionnement hydrique............................................................................................. 203 Annexe D Minralogie des argilites.................................................................................207

v

LISTE DES FIGURES

Figure 1-1 : Schma de la hauteur dascension capillaire dfinie par la loi de Jurin ................8 Figure 1- 2 : Courbe thorique de la limite de stabilit dtat de leau liquide et valeur

exprimentale extremale de la pression ngative deau liquide (Lionel, 2001) ...............10 Figure 1- 3 : Schma de lexprience de Darcy ralise en 1856 (in Jacob Bear, 2006) .........13 Figure 1-4 : Solubilit des gaz dans leau en fonction de la temprature (Wilhelm,1977, in V.

Rebour 1995) ....................................................................................................................15 Figure 1-5 : Disposition gnrale des formations gologiques au droit du site Meuse/Haute-

Marne (ANDRA Dossier 2005 Tome 1) ..........................................................................16 Figure 1-6 : Coupe gologique au niveau du site de Meuse/Haute-Marne et dfinition des

units gomcaniques des argilites du Callovo-Oxfordien (ANDRA Dossier 2005 Tome 1).......................................................................................................................................16

Figure 1-7 : Feuillet ttradrique (T)........................................................................................18 Figure 1-8 : Feuillet octadrique (0).........................................................................................18 Figure 1-9 : Reprsentation schmatique de quelques groupes de minraux argileux (Grim,

1968 in Gaombalet, 2004) ................................................................................................18 Figure 1-10 : Diffrents tats de leau dans lespace poral de largilite du Callovo-Oxfordien

(ANDRA Dossier 2005) ...................................................................................................19 Figure 1-11 : Modle conceptuel de distribution des tailles de pores dans les argilites de

lunit C2b (in ANDRA Dossier 2005 TOME 1, Chapitre 12)........................................22 Figure 1-12 : Courbes de distribution des tailles daccs de pores dtermines par

porosimtrie au mercure (in ANDRA Dossier 2005 TOME 1, Chapitre 12)...................22 Figure 1-1 : Fissuration en front de taille de la galerie Tournemire (Ramambasoa, 2001 in

Pham, 2006)......................................................................................................................25 Figure 1-14 : Rupture de la couche de bton projet (Derek Martin et al. 2003 in Pham, 2006)

..........................................................................................................................................25 Figure 1-15 : Rsultats des essais de compression uniaxiale pour les argilites du Callovo-

oxfordien...........................................................................................................................27 Figure 1-16 : Variation de la diffusivit en fonction de lhumidit en phase de dsaturation

(Pham, 2006) ....................................................................................................................30 Figure 1-17 : Permabilit relative au gaz en fonction de la teneur en eau (Zhang et al. 2002)

..........................................................................................................................................31 Figure 1-18 : Variation de la diffusivit dun tube mince dargilites du site MHM lors dune

phase de dsaturation et resaturation (Pham, 2006) .........................................................32 Figure 1-19 : Courbes de variation de volume (indice deau indice des vides) et de rtention

(indice deau pression de succion) pour 2 chantillons dargilites du site MHM (in M. Gasc-Barbier, 2004) Pae : point dentre dair.................................................................32

Figure 1-20 : Reprsentation schmatique des diffrents mcanismes de migration des gaz dans les argilites du Callovo-Oxfordien (in ANDRA Dossier 2005 TOME 2 Chap. 34) 38

Figure 1-21 : Relation entre la pression dentre dair et la permabilit intrinsque pour des matriaux de faibles permabilits (Euratom, 1999 in ANDRA Dossier 2005 Tome 2 Chap. 34) ..........................................................................................................................39

Figure 2-1 : Intervalle de variation de la permabilit en laboratoire mesure sur diffrents

chantillons intacts temprature ambiante et sous pression de confinement de 10 MPa (daprs Brace.1980 in Read et al. 1989, Ccile coll, 2005) ............................................44

Figure 2-2 : Evolution de la permabilit relative leau des argilites du site MHM en fonction de lhumidit relative dair (Hoxha, 2004).........................................................49

vi

Figure 2-3 : Principe du dispositif exprimental pour la mesure de la permabilit suivant la mthode du Pulse test....................................................................................................... 50

Figure 2-4 : Evolution de la pression dans les rservoirs amont (Pam) et aval (Pav) pendant la mesure .............................................................................................................................. 50

Figure 2-5 : Comparaison de lvolution de la diffrence de pressions des rservoirs prdite par la solution simplifie de Brace et celle obtenue par la mthode numrique pour diffrentes porosit (k = 10-21 m).................................................................................... 55

Figure 2-6 : Schma du banc de mesure des trs faibles permabilits du centre des Gosciences...................................................................................................................... 58

Figure 2-7 : Vue du banc de mesure des trs faibles permabilits du centre des Gosciences.......................................................................................................................................... 58

Figure 2-8 : Exemple dabaque utilisable pour la dtermination de la permabilit ............... 59 Figure 2- 9 : Courbes exprimentales et modlises des pressions du gaz pour un palier de

contraintes isotropes de 5 MPa (P0 = 2,307 MPa P0 = 0,108 MPa porosit accessible au gaz = 12,5 % permabilit = 1,35 10-18 m) 1bar = 0,1 MPa ..................................... 60

Figure 2-10 : Variations des pressions amont, aval et diffrentielle et de la temprature dans le dispositif de mesure isol (Po= 5,9 MPa, DPo= 3,28 bar, T= 31C) 1bar = 0,1 MPa..... 62

Figure 2-11 : Variations des pressions amont, aval et diffrentielle et de la temprature pour un chantillon mtallique sous un confinement isotrope de 11,6 MPa (P0 = 6,8 MPa, P0 = 1,92 bar, T= 31,4C) - 1bar = 0,1 MPa......................................................................... 63

Figure 2-12 : Pressions amont, aval et diffrentielle exprimentales et thoriques calcules suivant la formule de Brace (k = 5 10-22 m).................................................................... 63

Figure 2-13 : Courbes des pressions amont et aval brutes et corriges des variations de temprature (P0 = 5,994 MPa P0 = 4,418 bar et T = 31,8C confinement isotrope de 13 MPa) 1bar = 0,1 MPa..................................................................................................... 64

Figure 3-1 : Schma conceptuel de lEDZ............................................................................... 68 Figure 3-2 : Vue du concept exprimental de lexprimentation REP et des Sections de

Mesures Gomcaniques Renforces (SMGR)................................................................ 70 Figure 3-3 : Coupe du puits daccs entre les cotes -460 m et 475 m .................................... 71 Figure 3-4 : Evolution des mesures in situ (REP2202) et comparaison avec les rsultats dun

modle lastique orthotrope (Rapport ANDRA 2005[8]) ................................................ 72 Figure 3-5 : Evolution de la convergence du puits en fonction de la distance au front (Rapport

ANDRA 2005[8]) .............................................................................................................. 72 Figure 3-6 : Variation de la vitesse des ondes P en fonction de la distance au parement (en

violet zone o la variation de vitesse est infrieure 1 %).............................................. 73 Figure 3-7 : Evolution de la pression interstitielle dans le forage REP2103 ........................... 75 Figure 3-8 : Comparaison du calcul analytique (pour deux permabilits) et des donnes in

situ situ t = 30 j : (a)- Puits excav de 3,3 m de rayon, (b) en considrant la condition aux limites hydraulique p = 0 r = 4,8 m (excavation dun puits de 4,8 m) (Armand et Su, 2005) .......................................................................................................................... 75

Figure 3-9 : Intervalles de variation de la permabilit avant et aprs le creusement en fonction de la distance au puits ........................................................................................ 76

Figure 3-10 : Vue des carottes aprs dmontage de leur cellule de confinement. ................... 79 Figure 3-11 : Vue dune prouvette (EST20512-2) aprs sa prparation ................................ 79 Figure 3-12 : Historique du chargement de lprouvette EST20567-1 (P_am : pression de gaz

lamont ; P_av : pression de gaz laval ; P_axi : contrainte totale axiale ; P_lat : contrainte totale latrale).................................................................................................. 83

vii

Figure 3-13 : Variations de la pression de gaz en fonction du temps aprs lincrment de pression pour le palier de contrainte isotrope de 9 MPa (Pam = 6,313 MPa, Pav = 6,002 MPa, T = 32,65C) et la correction et la simulatoin des courbes - 1bar = 0,1 MPa........84

Figure 3-14 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure en fonction du dviateur des contraintes avec une contrainte latrale de 11 MPa de EST20567-1 ...............................85

Figure 3-15 : Variations de la pression de gaz pendant des phases dhomognisation avant lapplication des incrments de pression. .........................................................................86

Figure 3-16 : Exemple dvolution de la pression du gaz pendant la phase duniformisation, aprs sa mise sous pression de gaz initiale (une tentative dincrment de pression est comprise dans cette phase) ...............................................................................................87

Figure 3-17 : Historique du chargement de lprouvette EST20567-2 ....................................88 Figure 3-18 : Courbes numriques et exprimentales des pressions de gaz (Pamont = 6,488

MPa, Paval = 6,099 MPa, DP0 = 3,89 bar et Pisotrope = 11 MPa, k = 3.10-21 m).................88

Figure 3-19 : Evolution des pressions amont et aval lors dune mise en pression de gaz progressive lamont, le rservoir aval tant isol. .........................................................90

Figure 3-20 : Evolution des pressions de gaz aprs lincrment de pression pour le palier de contraintes isotropes (Pamont = 6,293 MPa, Paval = 6,042 MPa) - 1bar = 0,1 MPa ............91

Figure 3-21 : Historique du chargement de lprouvette EST20512-2 ....................................92 Figure 3-22 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction du dviateur de

contraintes impos (Pconfinement = 11 MPa) ........................................................................92 Figure 3-23 : Historique du chargement de lprouvette EST20512-3 ....................................93 Figure 3-24 : Evolution analytique de la pression de gaz aval, DPaval, pour diffrentes valeurs

du flux parasite et de la permabilit (Pamont = 6,48 MPa, Paval = 6,05 MPa)....................94 Figure 3-2 : Historique de chargement de lprouvette EST20514-1 ......................................95 Figure 3-26 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale de EST20567-1...........99 Figure 3-27 : Dformation axiale et contrainte axiale en fonction du temps de EST20567-1 .99 Figure 3-28 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale de EST20567-2.........100 Figure 3-29 : Courbes de la dformation et de la contrainte axiale en fonction du temps .....101 Figure 3-30 : Courbe de la dformation axiale vs contrainte de confinement .......................101 Figure 3-31 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale de EST20512-2.........102 Figure 3-32 : Courbes de la dformation et de la contrainte axiale en fonction du temps de

EST20567-2....................................................................................................................102 Figure 3-33 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale de EST20512-3.........103 Figure 3-34 : Courbes de la dformation et de la contrainte axiale en fonction du temps de

EST20512-3....................................................................................................................103 Figure 3-35 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale de EST20514-1.........104 Figure 3-36 : Courbes de la dformation et de la contrainte axiale en fonction du temps de

EST20514-1....................................................................................................................105 Figure 3-37 : Courbes de porosimtrie au mercure dune prouvette de EST20567 sche par

trois mthode : tuve 105C, lair et par lyophilisation ............................................108 Figure 3-38 : Distributions de la taille daccs des pores des diffrentes carottes ltat intact

........................................................................................................................................109 Figure 3-39 : Comparaison des courbes des porosimtrie au mercure dune prouvette intacte

et dune prouvette casse lors de la mesure de la permabilit de la carotte EST20567........................................................................................................................................110

Figure 3-40 : Evolution des pressions amont et aval pour les trois paliers de lessai de perce du gaz..............................................................................................................................111

Figure 3-41 : Vue de lprouvette EST20512-1 aprs essai..................................................112 Figure 3-42 : Vue de lprouvette EST20567-2 aprs essai..................................................112

viii

Figure 3-43 : Diffrences de tonalit des faces dprouvettes aprs essai lies leur humidit......................................................................................................................................... 113

Figure 3-44 : Evolution des pressions amont (gauche) et aval (droite) lors de la simulation dun essai de permabilit par la mthode du pulse-test................................................ 118

Figure 3-45 : Profil de la concentration en gaz dans lprouvette la fin de pulse test. ....... 118 Figure 3-46 : Vue de la carotte EST12491 aprs dmontage de la cellule de confinement. . 119 Figure 3-47 : Histoire du chargement et des pressions de gaz de lprouvette EST12491-2. 120 Figure 3-48 : Courbes modlises et exprimentales des pressions de gaz (P0 = 6,039 MPa,

DP0 = 4,04 bar Pisotrope = 12 MPa, kgaz = 3 10-21 m) 1bar = 0,1 MPa. ........................... 120

Figure 3-49 : Evolution de la permabilit en fonction de la contrainte (dviateur ou contrainte moyenne)....................................................................................................... 121

Figure 3-50 : Courbe de la dformation axiale vs la contrainte axiale. ................................. 122 Figure 3-51 : Dformation axiale et contrainte axiale en fonction du temps........................ 122 Figure 4-1 : Vue de la carotte EST20548 aprs ouverture de la cellule de confinement....... 127 Figure 4-2 : Vue du bain pour le conditionnement hydrique................................................. 129 Figure 4-3 : Courbe de rtention construite partir des diffrentes prouvettes suite leur

conditionnement hydrique (dsaturation en rouge, resaturation en bleu). ..................... 131 Figure 4-4 : Courbe de sorption-dsorption........................................................................... 134 Figure 4- : Courbe de rtention pression capillaire quivalente (succion) degr de saturation.

........................................................................................................................................ 135 Figure 4-6 : Evolution du coefficient de diffusivit hydrique en fonction de lhumidit relative

(dsaturation resaturation, et Eini : tat naturel). .......................................................... 136 Figure 4-7 : Courbes exprimentale et modlise de lvolution de la masse de lprouvette

N2 lors du schage dans ltuve (coefficient de diffusion hydrique gal 4. 10-10m.s-1)......................................................................................................................................... 136

Figure 4-8 : Evolution de la hauteur et du diamtre dprouvette N2 pour le palier de schage sous humidit relative 25 % ........................................................................................ 137

Figure 4-9 : Vue de lprouvette N6 aprs 56 jours de conditionnement hydrique. ............ 138 Figure 4-10 : Vue de trois morceaux de lprouvette N6..................................................... 138 Figure 4-11 : Vue du morceau intermdiaire de lprouvette N6 aprs schage. ................ 138 Figure 4-12 : Variation relative de la vitesse des ondes ultrasonores suivant le chemin

hydrique (dsaturation en rouge, resaturation en bleu).................................................. 142 Figure 4-13 : Permabilit au gaz mesure en fonction du degr de saturation. ................... 144 Figure 4-14 : Permabilit au gaz mesure en fonction de la pression capillaire quivalente.

........................................................................................................................................ 144 Figure 4-15 : Permabilit au gaz mesure en fonction de la teneur en eau des prouvettes.

........................................................................................................................................ 145 Figure 4-16 : Relation entre les valeurs de porosit effective dtermines par modlisation et

celles issues des mesures exprimentales. ..................................................................... 147 Figure 4- 17 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N1. .... 148 Figure 4-18 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N5. ..... 150 Figure 4-19 : Evolution de la permabilit au gaz mesure pendant le cycle de chargement-

dchargement axial pour lprouvette N5. ................................................................... 150 Figure 4-20 : Historique des contraintes et des pressions de gaz de lprouvette 2f. ............ 151 Figure 4-21 : Evolution de la permabilit au gaz mesure pendant le cycle de chargement-

dchargement pour lprouvette N2f............................................................................ 152 Figure 4-22 : Vue de lprouvette n 2f aprs essai............................................................... 152 Figure 4-23 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N3. ..... 153 Figure 4-24 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N2. ..... 154

ix

Figure 4-25 : Evolution de la permabilit au gaz mesure pendant le cycle de chargement-dchargement pour lprouvette N2..............................................................................155

Figure 4-26 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N4. ......155 Figure 4-27 : Evolution de la permabilit au gaz mesure pendant le cycle de chargement-

dchargement pour lprouvette N4..............................................................................156 Figure 4-28 : Historique des contraintes et des pressions de gaz pour lprouvette N3. ......157 Figure 4-29 : Evolution de la permabilit au gaz mesure pendant les cycles de chargement-

dchargement pour lprouvette N3..............................................................................158 Figure 4-30 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction du dviateur de

contraintes.......................................................................................................................158 Figure 4-31 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction de la contrainte

moyenne. ........................................................................................................................159 Figure 4-32 : Evolution de la permabilit au gaz en fonction du dviateur pour des

chargements jusqu la rupture (Zhang & Rothfuchs, 2007). ........................................160 Figure 4-33 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction de la pression

capillaire quivalente......................................................................................................161 Figure 4-34 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction du degr de saturation.

........................................................................................................................................162 Figure 4-35 : Evolution du logarithme de la permabilit au gaz mesure en fonction du

logarithme du degr de saturation. .................................................................................163 Figure 4-36 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction de la teneur en leau.

........................................................................................................................................164 Figure 4-37 : Critres de rupture, percolation et fissuration des argilites du site Meuse-Haute-

Marne (Zhang, Rothfuchs, 2007) ...................................................................................165 Figure 4-38 : Courbe contrainte - dformation axiale et courbes de la dformation et de la

contrainte axiale en fonction du temps pour l'prouvette N1 avant rupture. ................166 Figure 4-39 : Vues l'prouvette N1 aprs rupture.................................................................167 Figure 4-40 : Courbe contrainte-dformation axiales et courbes de la dformation et de la

pression axiale en fonction du temps pour l'prouvette N5 ..........................................168 Figure 4-41 : Courbe contrainte - dformation axiales et courbes de la dformation et de la

contrainte axiale en fonction du temps pour l'prouvette N2f. .....................................168 Figure 4-42 : Courbe pression - dformation axiales et courbes de la dformation et de la

pression axiale en fonction du temps pour l'prouvette N3 ..........................................169 Figure 4-43 : Courbe contrainte - dformation axiales et courbes de la dformation et de la

contrainte axiale en fonction du temps pour l'prouvette N2. ......................................170 Figure 4-44 : Courbe pression - dformation axiales et courbes de la dformation et de la

pression axiale en fonction du temps pour l'prouvette N4 ..........................................171 Figure 4-45 : Courbe pression - dformation axiales et courbes de la dformation et de la

pression axiale en fonction du temps pour l'prouvette N3 ..........................................172 Figure 4-46 : Evolution du module de Young en fonction de la contrainte lors du chargement.

........................................................................................................................................173 Figure 4-47 : Vitesse des ondes ultrasonores avant et aprs essai sous dviateur pour les

diffrentes prouvettes....................................................................................................174 Figure 4-48 : Courbes de porosimtrie au mercure de lprouvette N2 lyophilis avec un

degr de saturation initial de 51%. .................................................................................175 Figure 4-49 : Distributions de la taille des accs de pores des prouvettes de la carotte

EST2054. ........................................................................................................................177 Figure 4-50 : Distributions de la taille des pores daccs des rfrences associes aux

prouvettes de la carotte EST20548. ..............................................................................178

xi

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1-1 : Caractristiques physiques et mcaniques courantes des argilites de lunit

gomcanique C situe au milieu de la couche dargilites du Callovo-Oxfordien (Su 2005).................................................................................................................................17

Tableau 1-2 : Limite de rsolution des diffrentes mthodes de dterminer la taille des pores..........................................................................................................................................21

Tableau 2-1 : Dure de mesure en fonction du fluide de mesure .............................................45 Tableau 2-2 : Valeurs de permabilit l'eau mesures sur des chantillons dargilites du site

MHM ................................................................................................................................47 Tableau 3-1 : Valeurs de la permabilit mesure dans le forage F4......................................76 Tableau 3-2 : Synthse des donnes sur lextension de la zone endommage autour du puits

dans la zone REP ..............................................................................................................77 Tableau 3-3 : Liste des carottes mise disposition par lANDRA ..........................................78 Tableau 3-4 : Caractristiques physiques des prouvettes. ......................................................79 Tableau 3-5 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction des contraintes

appliques .........................................................................................................................86 Tableau 3-6 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction des contraintes

appliques .........................................................................................................................89 Tableau 3-7 : Valeurs de la permabilit au gaz corrige en fonction du dviateur. ...............92 Tableau 3-8 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure pour des prouvettes sous contraintes

isotropes............................................................................................................................96 Tableau 3-9 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les

diffrents paliers de contraintes........................................................................................99 Tableau 3-10 : Valeurs du module de dformation, E, et de la permabilit au gaz mesure, k,

pour les diffrents incrments de pression imposs lprouvette EST20567-2...........100 Tableau 3-11 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit pour les diffrents

incrments de pression imposs .....................................................................................102 Tableau 3-12 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit pour les diffrents

incrments de pression imposs .....................................................................................103 Tableau 3-13 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit pour les diffrents

incrments de pression imposs .....................................................................................104 Tableau 3-14 : Valeurs du module de dformation des diffrentes prouvettes lors du premier

chargement avec dviateur .............................................................................................105 Tableau 3-15 : Vitesse de la dformation diffre sous un dviateur de 17 MPa et dformation

maximale la fin du chargement....................................................................................106 Tableau 3-1 : Vitesses des ondes ultrasonores mesures sur les prouvettes.........................106 Tableau 3-17 : Pourcentages de porosit totale et injecte et tailles daccs de pores des

prouvettes......................................................................................................................108 Tableau 3-18 : Valeurs de la permabilit dtermines avec de forts incrments de pression

........................................................................................................................................111 Tableau 3-19 : Valeurs des paramtres pour la simulation numrique de la diffusion du gaz

dissous dans le fluide interstitiel.....................................................................................116 Tableau 3-20 : Caractristiques gomtriques des prouvettes ralises partir de la carotte

EST 12941 ......................................................................................................................119 Tableau 3-21 : Evolution de la permabilit au gaz mesure en fonction du dviateur.........121

xii

Tableau 3-22 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes imposs.................................................................. 122

Tableau 4-1 : Masses et caractristiques gomtriques des prouvettes ............................... 128 Tableau 4-2 : Porosit et saturation initiales des prouvettes ................................................ 129 Tableau 4-3 : Correspondance entre pression capillaire et humidit relative sous diffrentes

tempratures des solutions salines utilises (Delage et al. 1998). ................................. 130 Tableau 4-4 : Conditionnement hydrique des diffrentes prouvettes. ................................ 131 Tableau 4-5 : Caractristiques des prouvettes pendant les paliers hydriques ...................... 133 Tableau 4-6 : Vitesse des ondes ultrasonores, Vp, et sa variation avant et aprs la mesure de la

permabilit.................................................................................................................... 142 Tableau 4-7 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure pour lprouvette N1 en fonction

des contraintes appliques.............................................................................................. 149 Tableau 4-8 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure pour lprouvette N5 en fonction

des contraintes appliques.............................................................................................. 149 Tableau 4-9 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure de lprouvette N2f en fonction des

contraintes appliques. ................................................................................................... 151 Tableau 4-10 : Valeurs de la permabilit au gaz mesure de lprouvette N3 en fonction des




contraintes appliques. ................................................................................................... 157 Tableau 4-14 : Valeurs de la contrainte axiale en fonction des paramtres des critres de

rupture pour les argilites du site Meuse-Haute-Marne pour les contraintes de confinement utilises...................................................................................................... 165

Tableau 4-15 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes................................................................................ 167

Tableau 4-16 : Valeurs du module de dformation axiale et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes........................................................................ 167

Tableau 4-17 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes................................................................................ 169

Tableau 4-1 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes. .................................................................................... 169

Tableau 4-19 : Valeurs du module de dformation et de la permabilitau gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes................................................................................ 170

Tableau 4- 20 : Valeurs du module de dformation et de la permabilit au gaz mesure pour les diffrents paliers de contraintes................................................................................ 171

Tableau 4-21 : Evolution du module de dformation axiale et de la permabilit au gaz mesure pendant les cycles de chargement et dchargemen......................................... 171

Tableau 4- 22 : Porosit au mercure et pourcentages du volume inject des prouvettes de la carotte EST20548 aprs essai. ....................................................................................... 175

Tableau 4- 23 : Porosit au mercure et pourcentages de volume cumul des prouvettes de la carotte EST20548........................................................................................................... 176

xiii

LISTE DES SYMBOLES

Notions grecques

Coefficient de compressibilit isotherme du gaz de mesure [Pa-1] ; Tension superficielle [N.m-1] ;

gw Tension interfaciale gaz-liquide [N.m-1] ; Angle de contact ; Teneur en eau volumique ; Masse volumique du liquide [kg.m-3] ;

s Densit des grains [kg.m-3] ;

e Densit du fluide interstitiel [kg.m-3] ;

l Densit molaire du liquide satur [mol.m-3] ; dformation ;

1 Contraintes principales majeure [Pa] ; 3 Contrainte principales mineure [Pa] ;

Pression osmotique [Pa] ;

d Pression disjonction [Pa] ; mp Potentiel matriciel stricto-sensu [J] ;

o Potentiel osmotique [J] ; Vitesse filtration [m.s-1] ; Viscosit dynamique du fluide [Pa.s] ;

l Viscosit cinmatique de la phase liquide [kg.m-1.s-1] ; w Teneur en eau massique ; Temps caractristique [s] ;

Notions latines A section de lprouvette [m] ; AH Constante caractristique, dite constante dHamaker ; B Coefficient de Klinkenberg caractristique du milieu poreux considr ; C Concentration de particules en milieu considr ;

eD Coefficient de diffusion effectif

[ms-1] ; e Indice des vides ; E Module de Young [MPa] ; g Acclration de la pesanteur [9,81 m.s-2] ; HR Humidit relative [%] ; i Gradient de charge Jr

Flux de particules en milieu considr ; K Module dincompressibilit du matriau [MPa] ; Ks Module dincompressibilit de la phase solide [MPa] ;

0K Permabilit du fluide considr au

cas satur [m.s-1] ;

k, Permabilit intrinsque [m] ;

Ke Permabilit effective [m] ; kgaz Permabilit effective au gaz [m] ;

hK Coefficient hydraulique [m.s-1] ;

kri Permabilit relative par rapport au

fluide i ;

HiK Coefficient de Henry du gaz i [Pa] ;

lm Masse deau par unit de volume

de milieu poreux [kg.m-3] ;

mM Masse molaire du gaz [kg.mol-1] ;

vM Masse molaire de la vapeur

[kg.mol-1] ; Mw Masse molaire de leau [kg.mol

-1] ; n Porosit ; Nc Nombre capillaire ; P_am Pression de gaz en amont [Pa] ; P_av Pression de gaz en aval [Pa] ; P_axi Contrainte totale axiale [Pa] ; P_lat Contrainte totale latrale [Pa] ; Pm Pression moyenne dans lchantillon [Pa]

vP Pression partielle de la

vapeur[Pa] ; Pv_atm Pression partielle H2O dans latmosphre [Pa] ;

xiv

Pv_sat Pression de vapeur saturante de H2O [Pa] ;

weP Pression hydraulique du fluide

interstitiel [Pa]

cP Pression capillaire ;

Q Dbit traversant lprouvette, [ m3.s-1] ; r Rayon caractristique des pores ; R Constante des gaz [8,314 JK-1mol-1] ; Sr

i Degr de saturation en fluide i ; Sr Degr de saturation en eau ; Ss Coefficient d'emmagasinement spcifique de la roche [m-1] T Temprature [K] ; Vp Volume des pores [m3] ; Vam Volume du rservoir amont [m3] ; Vav Volume du rservoir aval [m3] ;

wV Volume spcifique partiel

[m3 kg-1] ; Vs Volume du solide [m

3] ; Vv Volume des pores [m

3] ; Vt Volume total [m

3] ; Vp Vitesse des ondes [m.s-1] ; W Travail pour augmenter lpaisseur du film, h, de h h+dh.[J] ;

iX Fraction molaire du gaz i

1

Introduction gnrale Contexte En France, prs de 80 % de llectricit est produite par des centrales nuclaires qui ont gnr, fin 2004, 1 033 306 m3 des dchets dont 1 851 m3 de dchets de haute activit et vie longue. Une des solutions de traitement de ces dchets nuclaires est le stockage en formations gologiques profondes qui permet disoler les dchets de la biosphre. LANDRA (Agence Nationale pour la gestion des Dchets Radioactifs), qui a t confi la mission dvaluer la faisabilit dun stockage de dchets de haute activit et vie longue (HAVL) en formations gologiques profondes par la loi du 30 dcembre 1991 (Loi n 91-1381), a choisi une couche dargilites trs peu permables du Callovo-Oxfordien (150 millions dannes) dans le Bassin de Paris comme formation hte potentielle afin de stocker ces dchets nuclaires. En 2005, un laboratoire souterrain a t ralis sur la commune de Bure (Meuse/Haute-Marne) entre les profondeurs -420 et -550 m pour tudier le comportement gomcanique in situ de cette formation. Les problmatiques gomcaniques la ralisation dun stockage souterrain de dchets nuclaires Chronologiquement, la ralisation dun stockage souterrain de dchets nuclaires est constitue dune phase dexcavation, dune phase de soutnement, puis de celle de la mise en place des colis des dchets et enfin dune phase de fermeture. Dun point de vue gomcanique, une des problmatiques est la cration dune EDZ1 autour des ouvrages et en particulier son intensit et son extension. Ses caractristiques influencent directement celles du transfert de lhydrogne produit par la corrosion des composants mtalliques aprs la phase de fermeture. - La problmatique de lEDZ autour dun ouvrage est la suivante :

La cration et lexploitation du stockage va perturber lquilibre hydromcanique initial de la formation hte et engendrer une augmentation du dviateur des contraintes et une diminution de la pression de pore autour louvrage. Cette perturbation hydromcanique peut crer une zone endommage, qui sappelle aussi lEDZ, et dans laquelle se distinguent gnralement deux zones : une zone fracture proximit immdiate de la paroi et une zone micro-fissure derrire la zone fracture. Au niveau de la paroi dun ouvrage, le contact, direct ou indirect, du massif avec latmosphre va engendrer un transfert de masse deau, dit hydrique, cause de la diffrence dhumidit relative qui est contrle par la temprature et les conditions de ventilation de louvrage. Globalement, ce processus induit une dsaturation de la roche autour douvrage pendant la phase dexcavation et une resaturation aprs la phase fermeture. Pendant la phase dexploitation, la ventilation induira des cycles dsaturation-resaturation suite aux variations saisonnires de la temprature et de lhygromtrie de lair inject. Cette dsaturation et cette resaturation sont associes, respectivement, un phnomne de retrait et de gonflement du matriau en raison de la sensibilit leau des minraux argileux. Ce retrait et ce gonflement peuvent engendrer des fissurations, voire une fracturation et augmenter

1 EDZ : Excavation Damaged Zone

2

lextension dEDZ. La gomtrie, lamplitude et lvolution de lEDZ sont donc dimportants paramtres pour lvaluation de la stabilit des ouvrages et du transfert des radionuclides.

- La problmatique du transfert de gaz la phase clture est la suivante

Une production importante de gaz, principalement de lhydrogne, suite la corrosion des composants mtalliques et la radiolyse dans les alvoles de stockage des colis de dchets, induira, du fait de son accumulation dans un espace limit, une augmentation de la pression de gaz dans les vides du stockage isol. Entre 2000 et 3000 ans aprs la fermeture du stockage, la pression maximale de gaz devrait atteindre 6 7 MPa dans les zones de stockage de dchets de type C et atteindre 9 MPa pour les zones des combustibles uss en raison dune production plus importante lie une plus grande quantit de fer dans ces alvoles (ANDRA Dossier 2005). Cette valeur de pression est du mme ordre que la pression dentre de gaz des argilites (7 9 MPa). Ceci pose donc un problme vis--vis du transfert de gaz et du couplage avec le comportement mcanique des argilites du Callovo-Oxfordien. Le mcanisme du transfert de gaz dans les argilites satures et non satures doit tre tudi de manire approfondie afin dvaluer la sret long terme du stockage souterrain du fait quun dgazage brusque de lhydrogne suite une rupture du massif serait fort dommageable pour la biosphre car il saccompagnerait dune fuite des dchets.

La relation entre la permabilit au gaz et lendommagement mcanique et hydrique La permabilit est une proprit dun milieu poreux solide de prsenter une capacit dcoulement dun fluide sous un certain gradient de potentiel. La permabilit intrinsque ne dpend que des caractristiques gomtriques et topologiques des pores. La mesure de la permabilit effective au gaz permet la fois dtudier le transfert du gaz dans un matriau, et dvaluer la microstructure de celui-ci. Lendommagement mcanique peut influencer la permabilit dun matriau suite un changement des caractristiques de sa porosit, soit par une modification de la taille des pores ou leur connectivit sans changement de la valeur globale de la porosit, soit par un accroissement du volume poreux, essentiellement sous forme de fissures ou de fractures. Les tudes antrieures montrent que dans lEDZ, la permabilit leau de la roche sature peut tre augmente de plusieurs ordres de grandeur, ce qui peut crer un chemin prfrentiel pour les radionuclides vers la biosphre et ainsi compromettre la sret du stockage. La zone miscrofissure est associe une augmentation limite de la permabilit des argilites tandis que la zone fracture conduit une augmentation sensible de la permabilit au voisinage de la paroi. La permabilit effective au gaz dans lEDZ rsultera donc dune volution de la permabilit et de celle du degr de saturation. A partir de lvolution de la permabilit relative au gaz en fonction du degr de saturation, il est possible den dduire que la permabilit au gaz devrait tre en fonction du degr de saturation en eau du massif au niveau de la paroi des ouvrages et que celui-ci baissera lors de lexcavation et de lexploitation du stockage et augmentera aprs la fermeture des alvoles du stockage. Donc ltude de la permabilit effective au gaz sous diffrents niveaux de contrainte et diffrents degrs de saturation permet une caractrisation de lendommagement hydrique-

3

mcanique des argilites pendant ces diffrentes phases du stockage et les rsultats dune telle tude pourront tre utiliss pour lvaluation de la sret du stockage, surtout vis--vis de la problmatique du transfert de gaz aprs la phase de la fermeture. Objet de ltude et moyens adopts Vis--vis des problmatiques prsentes ci-dessus, nous nous sommes efforcs dvaluer lendommagement mcanique et hydrique autour douvrage par la mesure de la permabilit au gaz. Globalement, ce mmoire se compose de 5 chapitres : Le premier chapitre est consacr une tude bibliographique sur le transfert du gaz dans les argilite : nous y prsenterons en dtail les composants des argilites, la microstructure des matriaux argileuses et les types de leau saturant leur porosit ; puis le processus de dsaturaton et de resaturation et les phnomnes de retrait et gonflement associs ainsi que leur caractrisation hydrique, en particulier le coefficient de diffusivit hydrique et la courbe de rtention deau ; et enfin le mcanisme de transfert du gaz sous pression dans ces argilites ltat satur et ltat non satur. Avant de procder lexpos de ces sujets, les notions fondamentales : pression capillaire, succion et potentiel de leau en milieu poreux ainsi que les lois phnomnologiques du transfert de fluide, seront tout dabord prsentes. Le deuxime chapitre prsente la mthode de mesure de la permabilit au gaz, dite du pulse test qui a t mis en oeuvre au centre de Gosciences. Nous comparerons dabord les diffrentes mthodes de la mesure de permabilit avec leurs avantages et leurs dfauts et les rsultats concernant les argilites du site MHM2 utilisant ces mthodes ; puis nous prsenterons le principe de la mthode de pulse test et le choix des paramtres conditionnant cette mthode en fonction du gaz de mesure. Ensuite nous prsenterons lquipement de mesure dvelopp au centre de Gosciences et une validation de ses performances et de sa sensibilit, de mme que les mthodes dinterprtation et les moyens pour rduire les difficults exprimentales et les incertitudes de mesure. Le troisime chapitre est consacr aux rsultats obtenus sur des prouvettes prleves diffrentes distances de la paroi du puits daccs du laboratoire souterrain de Meuse/Haute Marne. Nous prsenterons tout dabord le problme dEDZ pendant les diffrentes phases du stockage, puis les exprimentations in situ afin de caractriser lEDZ. Le corps de ce chapitre est constitu par les rsultats obtenus pendant la mesure de la permabilit au gaz sous une contrainte isotrope quivalente aux contraintes initiales avant lexcavation et pendant un cycle chargement - dchargement, cest--dire : la valeur de la permabilit au gaz mesure, la dformabilit des prouvettes, la vitesse des ondes. A la fin de ce chapitre nous tudierons la microstructure des argilites par porosimtrie au mercure et nous discuterons des diffrents processus physiques lis au transfert de fluide pendant la mesure : transfert du gaz en solution, dplacement du fluide interstitiel par le gaz, de la relation entre lendommagement et la permabilit et de la pression dentre du gaz. Le quatrime chapitre sera consacr ltude de lendommagement hydrique des argilites par la mesure de la permabilit au gaz en fonction du degr de saturation et sous diffrentes conditions de contraintes. Nous exposerons dabord la procdure exprimentale utilise pour imposer un degr de saturation et les conditions de mesure de la permabilit au gaz, puis

2 MHM : Meuse/Haute Marne

4

nous prsenterons les rsultats du conditionnement hydrique, en particulier, la courbe de sorption et dsorption, la dtermination du coefficient de diffusivit hydrique et lobservation du retrait lors de la dsaturation et de fissures lors de la resaturation. Ensuite nous prsenterons les rsultats des mesures de la permabilit au gaz en fonction de ltat de saturation dprouvettes dargilites jumelles sous conditions de contraintes isotropes, et suivant un cycle de chargement et dchargement. La microstructure des argilites intactes et endommages sera expose la fin du chapitre. Le cinquime et dernier chapitre exposera les conclusions gnrales et les perspectives de ce travail de thse.

5

Chapitre 1 Etude bibliographique du transfert de gaz dans les roches argileuses en relation avec les phases dexcavation et de clture dun

stockage souterrain

Introduction Ltude bibliographique ralise concerne deux problmatiques associes la ralisation et lexploitation dun stockage souterrain de dchets nuclaires : la problmatique dendommagement mcanique et celle du transfert de gaz. Nous prsentons principalement cette dernire. Ce chapitre sorganise globalement en quatre parties :

- la prsentation de notions fondamentales : la pression capillaire, le potentiel de leau dans un milieu poreux et la succion, la loi de Darcy, la loi de Fick et la loi de Henry ;

- la caractrisation physique des argilites du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne : leur composition minralogique, leur microstructure et les types deau dans ces matriaux argileux ;

- les transferts hydriques qui se dvelopperont principalement pendant la cration de stockage ;

- le transfert du gaz sous pression qui est un facteur de plus en plus important pour valuer la sret dun stockage souterrain aprs sa fermeture.

6

1 Les problmatiques lies la ralisation du stockage La conception, la ralisation et lexploitation dun stockage souterrain de dchets nuclaires est un processus multiphnomnes et qui ncessite une approche multidisciplinaire : mcanique, hydraulique, chimique, thermique, etc. Nous nous intressons ici plus particulirement une partie du problme mcanique et au transfert de gaz.

1.1 La problmatique dendommagement mcanique Les diffrentes phases constituant la ralisation et lexploitation dun stockage souterrain de dchets nuclaires, tels que le creusement, le maintien de louverture des ouvrages pour lexploitation, la mise en place des colis de dchets et la fermeture du stockage correspondent respectivement des sollicitations mcaniques diffrentes auxquelles sont associes des rponses du massif qui peuvent modifier ses caractristiques. Le dconfinement des argilites suite lexcavation constitue la principale sollicitation mcanique.

Le dconfinement instantan correspond la rponse immdiate des argilites suite lexcavation de lalvole. Il est li une augmentation du dviateur de contraintes dans le champ proche de louvrage qui provoque :

- une diminution de la pression de pore dans les zones o il y a des dformations irrversibles ;

- une fissuration des argilites en paroi des ouvrages et ventuellement une fracturation (cration dune zone mcaniquement endommage par rapport la roche initiale, appele EDZ ; qui sera discute dans le chapitre 3).

Aprs lexcavation, le massif au voisinage des ouvrages continue se dformer (dformations diffres) dont lamplitude sera maximale en cas dabsence de soutnement. Ces dformations diffres peuvent induire un dveloppement supplmentaire de la fracturation et de la fissuration initie lors du creusement. La stabilit douvrage est troitement lie la gomtrie, lextension et lintensit de lEDZ, qui dpendent du comportement mcanique de la roche, de ltat de contraintes initial, et galement de nombreux paramtres lis louvrage. La conception de louvrage et du soutnement doit conduire des conditions de stabilit permettant lexploitation du stockage. Le dveloppement de lEDZ constitue une zone particulire car ses proprits ne sont pas mesurables a priori et parce que dans le concept multi-barrires du stockage, lEDZ se situe proximit des dchets.

1.2 La problmatique du transfert de gaz dans le stockage La cration dun stockage, son fonctionnement et son volution aprs fermeture vont induire la prsence dune phase gazeuse au contact de la formation hte, suivant diverses conditions. Pendant la cration et le fonctionnement du stockage, les principales sources et natures de gaz sont :

7

- latmosphre des galeries, libre ou confine suivant que celles-ci sont ventiles ou isoles. Dans ce dernier cas la phase gazeuse est lie un vide entre la galerie et son contenu ou celle occupant la porosit dun produit de scellement non satur;

- des sous-produits gazeux lis une activit microbienne ou bactrienne introduite depuis la surface ;

- des produits gazeux de ractions doxydation de certains minraux (pyrite..). Aprs fermeture du stockage, les sources de gaz possibles sont :

- la corrosion des emballages ferreux des colis qui gnre principalement de lhydrogne ;

- lactivit bactrienne ou microbienne sous rserve que des nutriments soient disponibles en quantits suffisantes ;

- le dgazage de la formation argileuse, essentiellement lie la libration de gaz dissous dans le fluide interstitiel suite aux variations de temprature et de pression. Le flux exothermique li lactivit des colis devrait surtout induire une libration du CO2 dissous, dautres gaz (CH4) lis lvolution de la matire organique ou des ractions chimiques de certains minraux (pyrite).

Parmi lensemble des ces sources, les deux principales qui sont considres pour analyser la problmatique dune phase gazeuse dans un stockage sont :

- latmosphre des galeries pendant la phase de fonctionnement ; - la corrosion des emballages ferreux aprs la fermeture du stockage.

Pendant la phase de fonctionnement, les variations des conditions thermodynamiques de leau prsente dans latmosphre des galeries induisent des changes eau liquide et eau vapeur entre la formation et latmosphre de louvrage. Ces changes saccompagnent dun phnomne de retrait du matriau de la formation pour une phase de dsaturation et dun gonflement pour une phase de resaturation. Cest un problme couplant les comportements hydrique et mcanique du matriau de la formation hte. Du fait de sa trs faible cintique, la corrosion des emballages ferreux va seffectuer sur une longue priode (suprieure 100 000 ans) et induire une production continue dhydrogne. Par rapport une quantit limite dissoute dans le fluide interstitiel, cette production continue dhydrogne va saccumuler dans les vides ou la porosit des produits de comblement o la pression de lhydrogne va augmenter progressivement et induire un dplacement du fluide interstitiel saturant le proche environnement des colis puis celui de la formation hte. La production de gaz tant li lhydrolyse des lments mtalliques, la valeur de la pression de gaz peut tre trs leve et conduire une fracturation de la formation si aucun processus ne permet dassurer une vacuation du gaz hors du stockage (diffusion, migration suivant les fissures de lEDZ). En raison de sa nature chimique (H2), un dgazage brusque serait dommageable pour la biosphre et il saccompagnerait dune fuite des dchets. Il est donc impratif dviter ces consquences nocives.

8

2 Notions fondamentales Dans les paragraphes suivantes, nous prsentons une tude bibliographique sur le transfert de gaz, et nous prsentons tout dabord des notions fondamentales lies au transfert des fluides en milieux poreux afin dexpliquer les phnomnes du transfert de gaz.

2.1 Notions lies aux coulements multiphasiques non miscibles La tension superficielle La tension superficielle est lnergie qui existe la surface de sparation de deux fluides non miscibles. Elle rsulte de la non-identit des interactions molculaires de part et dautre de la surface de sparation. Elle sexprime en N.m-1 et elle peut tre calcule par la formule de Jurin, qui exprime la hauteur du liquide mouillant dans un tube capillaire :

grh

cos2= 1. 1

tension superficielle [N.m-1] ; angle de contact ; masse volumique du liquide [kg.m-3] ; g acclration de la pesanteur [9,81 m.s-2] ; r rayon du tube [m]. Diffrentes techniques existent pour quantifier ce paramtre comme les tensiomtres lames ou anneaux, les tensiomtres pression de bulle maximale, les mthodes de goutte pendante etc. La tension interfaciale de leau pure est de 72,8.10-3 N.m-1 20C. Ce paramtre dpend de la nature du fluide et des diffrents cations en solution. Ainsi pour les argilites o le fluide interstitiel prsente une certaine concentration en cations K, Na, Cl etc, la valeur de la tension interfaciale sera plus petite.

Figure 1-1 : Schma de la hauteur dascension capillaire dfinie par la loi de Jurin

9

Pression de disjonction Lorsque lpaisseur dun film de liquide sparant deux milieux diminue et devient infrieure la distance pour laquelle lattraction molculaire est significative, la tension interfaciale tendrait diminuer en raison de la diminution du nombre de molcules interagissant. Dans ce cas, lnergie rsultant de linteraction entre les molcules des milieux spars sappelle la pression de disjonction. Elle est dfinie partir du travail ncessaire pour modifier lpaisseur du film fluide. Son expression est :

dh

dWhd = )( 1. 2

o W est le travail pour augmenter lpaisseur du film, h, de h h+dh. Une expression analytique gnrale est :

( )mH

d h

Ah = 1. 3

avec m exposant fonction de la nature des forces dattraction dominante : m = 3 dans le cas de forces de van der Waals ; m = 2 dans le cas de forces lectrostatiques ; AH constante caractristique, dite constante dHamaker. Des montages exprimentaux ont t mis au point par des scientifiques russes (Derjaguin, Churaev, 1978) et bulgares (Platikanov et al, 1987) dans les annes 60-80 pour mesurer cette pression par des moyens mcaniques. Pression capillaire Lorsque deux fluides ou plus coexistent dans un systme de capillaires, la combinaison de leur tension interfaciale et de la courbure cause par ces dernires imposent des pressions diffrentes pour chacune des phases fluides. On appelle pression capillaire la diffrence entre les pressions deux phases fluides non miscibles. Elle peut tre value avec la loi de Laplace :

+=

21

11

rrPc 1. 4

avec cP : la pression capillaire ; : la tension superficielle ; 1r , 2r : les rayons de courbures principaux de linterface. Cette dfinition peut apporter des difficults pour expliquer physiquement ltat du liquide, parce que le liquide (eau par exemple) ne peut subir de fortes pressions ngatives (-1000 MPa) en raison du phnomne de la cavitation intervenant sous de faibles pressions ngatives. De nombreuses tudes (L. Mercury et Y. Tardy, 2001, 2004 ; N. R. Tas et al, 2003 ; D. Qur, 1997; Q .Zheng et al, 1991 ; etc.) ont t ralises sur les pressions ngatives de leau. Niels R. Tas a expliqu la possible existence dune importante pression ngative sans cavitation dans des nano tubes et il a dfini une notion de rayon critique. Zheng et al a confirm en laboratoire que leau peut supporter une pression infrieure -140 MPa 42C ; la limite thorique de la tension de leau serait comprise entre 50 et 300 MPa.

10

Figure 1- 2 : Courbe thorique de la limite de stabilit dtat de leau liquide et valeur

exprimentale extremale de la pression ngative deau liquide (Lionel, 2001)

2.2 Le potentiel de leau en milieu poreux et la succion Les molcules deau du fluide interstitiel dun milieu poreux (Buckingham, 1907 ; Bolt et Miller, 1958 et Hillel, 1998) possdent un potentiel dont la valeur peut se calculer sous la forme dune somme de potentiels :

- potentiel gravitaire et de pression (quivalent la notion de charge hydraulique) ; - potentiel pneumatique (li la pression totale de latmosphre en contact avec le

matriau) ; - potentiel capillaire (lie la diffrence de pression de part de

Caractérisation par la mesure de perméabilité au gaz … · Caractérisation par la mesure de...

Documents

Transcript of Caractérisation par la mesure de perméabilité au gaz … · Caractérisation par la mesure de...