Mesure de la perméabilité in situ du sel

In situ permeability measurement in salt

Groupement pour l’étude des Structures Souterraines de Stockage (G.3S) (URA 317-LMS), École polytechnique 91128 Palaiseau Cedex, France.

Résumé

Afin de mesurer la perméabilité intrinsèque d’un sel relativement pur localisé loin d’un ouvrage souterrain, une expérience en place a été mise en œuvre dans la mine Amélie appartenant aux Mines de Potasse d’Alsace (MDPA, Mulhouse, France). Un forage vertical a été réalisé depuis une niche expérimentale pour atteindre le banc S1, le plus pur en halite. Le banc sélectionné a approximativement un mètre d’épaisseur et se trouve à 16 mètres du mur de la galerie. Les fluides d’essai utilisés furent l’azote et la saumure saturée. Dans le but de minimiser et de contrôler au mieux les phénomènes perturbateurs tels que la dilatation thermique, la dissolution/cristallisation du sel et le fluage de la paroi du forage, des essais à température et pression constantes ont été préconisés. Ces recommandations et le contexte géologique du site (faible épaisseur du banc de halite) ont nécessité la conception en laboratoire des obturateurs et du dispositif d’injection, avant de les tester in situ.

Les résultats expérimentaux obtenus permettent d’affirmer que le sel gemme est perméable à l’azote et à la saumure même assez loin des ouvrages souterrains (4 rayons de galerie).

Les faibles débits volumiques de saumure mesurés sont relativement bien reproduits par la loi de Darcy. Les valeurs de la perméabilité intrinsèque et de la pression de pores initiale obtenues sont égales à 2.10^–21 m² (soit une perméabilité au sens des hydrogéologues de 2 10^–14 m/s) et 1 MPa respectivement. Concernant l’essai à l’azote, les résultats mettent en évidence les faits suivants :

– après percolation de saumure dans le massif, la pression capillaire fait diminuer d’un ordre de grandeur le débit massique de gaz ;

– la loi de Darcy n’est pas satisfaisante. L’effet Klingenberg (ou phénomènes de « glissements en paroi » des molécules de gaz) et la présence d’une pression capillaire initiale semblent jouer un rôle significatif.

Abstract

In order to measure rock salt intrinsic permeability located far from underground facilities, an in situ experiment was performed in the Amélie mine belonging to the Mines de Potasse d’Alsace (MDPA, Mulhouse, France). A vertical borehole was drilled from a niche excavated to access to the S1 bed, very pure in halite. The selected salt bed is approximately one meter thick and is located 16 meters away from the gallery floor. Test fluids were nitrogen and saturated brine. In order to minimize and to control disturbing phenomena (thermal effects, solution/crystallization and creep), constant temperature and constant pressure tests were recommended. As a matter of fact and because of the geological conditions How thickness of the tested halite bed), a special device had to be designed and its principal components (packers and fluid injection systens) needed to be tested in the laboratory and in the field. The results of the field experiment show that rock salt is permeable to gas and to brine, even far enough from underground openings.

The results of the tests with brine are interpreted in a satisfactory way using a model based on Darcy’s law characterized by a permeability value of 2.10^–21 m² and an initial pore pressure value of 1 MPa. Analysis of the measured gas flow rate shows that:

– after a brine percolation, capillary pressure effect is significant;

– fluid migration in salt is not controlled by Darcy diffusion; Knudsen effect and partial saturation may play an important role.