Contribution of the Steady State Method to Water Permeability Measurement in Very Low Permeability Porous Media

Abstract

Résumé -Contribution de la méthode stationnaire dans les mesures des très faibles perméa-bilités à l'eau -Les milieux très peu perméables (k < 10 nD (10 −20 m 2 )) comme les argiles sont étudiés dans le cadre de problématiques très diverses telles que le stockage du CO 2 , les surpressions en forage profond ou le stockage des déchets radioactifs. La caractérisation pétrophysique de ces roches, et notamment la mesure de leur faible perméabilité, est difficile. La technique en laboratoire la plus répandue est celle du pulse decay. Cette technique consiste à imposer un pulse de pression en amont de l'échantillon puis de suivre l'évolution des pressions amont et aval. La durée de l'essai est supérieure à la journée pour des échantillons d'un nanoDarcy. Le signal est fortement tributaire des fuites dans le système ou des variations de température. La méthode stationnaire consiste à mesurer directement le débit d'eau à travers l'échantillon pour un gradient de pression donné. Cette technique est rarement utilisée pour les milieux très peu perméables car réputée très longue (Hsieh et al., 1981, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 18, 245-252). Des essais en laboratoire ont été réalisés sur trois échantillons. La méthode stationnaire ainsi que des méthodes transitoires (dont le pulse decay) furent employées. La limitation principale des méthodes transitoires est la difficulté d'interpréter correctement les profils de relaxation. La méthode stationnaire s'est montrée aussi rapide (trois jours pour un échantillon de 0.8 nD (8 × 10 −22 m 2 )), voire plus rapide (moins d'une journée pour un échantillon de 2.6 nD (2.6 × 10 −21 m 2 )), que la méthode du pulse decay. La perméabilité a été plus simple à déterminer et cette méthode peut être rapide avec un équipement adapté. En réalité, la faible compressibilité de la roche permet une propagation rapide des ondes de pression. De ce fait, il ne peut pas être soutenu que les conditions de régime permanent ne soient pas atteintes en un temps raisonnable. La méthode pulse decay reste une alternative intéressante à la méthode stationnaire lorsque la perméabilité est supérieure à 50 nD (5 × 10 −20 m 2 ). Abstract

Comparative study of methods to estimate hydraulic parameters in the hydraulically undisturbed Opalinus Clay (Switzerland)

“…The accurate hydraulic characterisation of low permeability formations is of high importance to ensure the safety of a geological repository. Hydraulic properties can be estimated by various laboratory and field experiments (Van der Kamp 2001;Yu et al 2013), including empirical methods based on the rock matrix properties (Chapuis and Aubertin 2003), falling head or constant head permeameter tests in laboratory (Boulin et al 2012), and in situ field tests that rely on measurement of pore pressure or water level changes due to tidal natural loading (Bredehoeft 1967;Merritt 2004;Jiang et al 2013) or artificial application of an hydraulic pressure different from the static formation pressure (Neuzil 1982;Butler 1998;Mejías et al 2009). As these methods are carried out from sub-millimetre to hectometre investigation scales, scale dependency can affect the results (Keller et al 1989;Neuzil 1994).…”

Comparative study of methods to estimate hydraulic parameters in the hydraulically undisturbed Opalinus Clay (Switzerland)

“…The accurate hydraulic characterisation of low permeability formations is of utmost importance to ensure the safety of a geological repository. Hydraulic properties can be estimated by various laboratory and field experiments (Van der Kamp, 2001;Yu et al, 2013), including empirical methods based on the rock matrix properties (Chapuis and Aubertin, 2003), falling head or constant head permeameter tests in laboratory (Boulin et al, 2012), and in situ field tests that rely on measurement of pore pressure or water level changes due to tidal natural loading (Bredehoeft, 1967;Merritt, 2004;Jiang et al, 2013) or artificial application of an hydraulic pressure different from the static formation pressure (Neuzil, 1982;Butler, 1998;Mejias et al, 2009). As these methods are carried out from sub-millimetre to hectometre investigation scales, scale dependency can affect the results (Keller et al, 1989;Neuzil, 1994).…”

Comparison of CO2 Flow Behavior through Intact Siltstone Sample under Tri-Axial Steady-State and Transient Flow Conditions

“…Rushing et al [18] found five times greater permeability using the transient approach compared to the steady-state approach. This exhibits differences among permeability calculations under steady-state and transient conditions [22]. Importantly, permeability calculation under both conditions may have considerable errors if the possible CO 2 phase transition through the rock mass is not considered under steady-state conditions [23].…”