Measurements of the chemico-osmotic efficiency coefficient in the Callovo-

Oxfordian shale of the Paris basin

ROUSSEAU-GUEUTIN, P.(1), de GREEF, V.(2), CRUCHAUDET, M.(3), GONCALVES, J.(1), COSENZA, P.(1) and VIOLETTE, S.(1)

French-Serbian European Summer University 16-25 October 2006 : Renewable Energy Sources and Environnement-Multidisciplinary Aspect

(1) UMR SISYPHE, Université Pierre et Marie Curie, Boite 125, 4 Place Jussieu, 75252 PARIS Cedex 5

(2) LMS, Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole Polytechnique, 91128 PALAISEAU cedex

(3) ANDRA, Laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne, RD 960, 55290 BURE

email : gueutin@ccr.jussieu.fr

What is the Callovo-Oxfordian clay?

Apparent hydraulic head (m ASL)

Deep

th (

m/s

oil)

Overpressures

• More explications have done to explain these overpressures:– Desequilibrium compaction– Oil generation– Diagenesis– …

• More recently an osmotic origin has been proposed (Neuzil, 2000, Altmann et al., 2005)

Can you explain these overpressures by an osmotic process?

Geological origins of the overpressures

Main parts of the subject

The modelling hypothesis : -

thermodynamic equilibrium -dynamic

coupled flux

Field scale experiments

(underground laboratory of Bure)

Sample scale experiments

Scale effect

Validation of the modelisation hypothesis

Some resultsModelisation

hypothesis:Uncharged porous media

P, Cna and CCl

Charged porous media

P*, C’Na and C’Cl

Thermodynamic equilibrium only for water molecules

Equilibrium condition :

0μμ *ww 0ΔΠΔp

ΔΠpp*

Total pressure

Partial pressure of the solvent

Osmotic pressure

The total pressure in a charged porous media is

defined as

eau

eaub C

ClnTkΔΠ

0 10 20 30 40 50 60 70

Excess head (h* ) in m

560

540

520

500

480

460

440

420

400

Dep

th in

m

Oxfordian

Callovo-OxfordianDogger

Calculation

0z

CK

z

*hK

2

'2

c2

2

z

Ionic concentration in the shale pore space (mol.m-3)

Permeability (m.s-1)

Excess head (m)

1σwith,gρνRTKσ

K zc

Question : Which pressure is

measured by the pressure transducer

(P or P’)?

Experimental protocol

Thermodynamic equilibrium: the same

concentration in the both circuits

Perturbation condition: concentrations differents between the two circuits

Conclusions and Perspectives

- The thermodynamic equilibrium predicts a more important pressure in a charged porous medium than in the adjacent uncharged medium.

- Application of the thermodynamic equilibrium to the COX shows overpressures smaller than those measured at the Bure site.

- Moreover, the first result of the in situ experiment seems to indicate that the COX has a very small osmotic efficiency. This result must be verified by the experiment at the sample scale.

- The next steps will be to understand the pressure measured in the COX, to do the experiments at the sample scale and to model the coupled flows.

Thank you for

your attention !

• Plaquettes d’argile présentent des charge de surface négatives:– Substitutions isomorphiques– Réactions de surface

Estimées par la CEC

• Des ions compensateurs (contre-ions) se trouvent à la surface des argiles pour neutraliser cette charge, ils modifient l’activité de l’eau dans les argilesRépartition des ions décrite par un

TLM (Davies et al. 1978, Leroy et Revil, 2004)

Ces ions représentent un certain pourcentage de la CEC

Équilibre thermodynamique Réactions de surface

Présence PERMANENTE d’une concentration en ions plus importante dans un milieu chargé par rapport à un réservoir non chargé en contact

d’après Revil et Leroy, 2004

d’après Davies et al., 1978

ThéorieÉquilibre thermodynamique Théorie

Équilibre thermodynamique pour la molécule d’eau

Milieu non chargé

ClNa CetCp,

Milieu chargé

ClNa CetC,p

Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu non chargé

Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu chargé

eaubeauReaueau lnCTkpΩμμ

eaubeauReaueau ClnTkpΩμμ

Équilibre thermodynamique de l’eau

0Δμeau

0ΔΠΔP

2 réservoirs

non chargés séparés par un milieu chargé

eau

eaub C

ClnTkΔΠ avec

eaueau CC Milieu non chargé

ClNa CetCp,

Flux d’eau

nul

Équilibre thermodynamique Théorie

Aquifère 1

Aquifère 2

p (pression effective)

(pression des argiles)

p

ΔΠ

ΔΠpp Pression de pore

Pression effective = pression partielle du solvant

Pression structurelle ne prenant pas part à l’écoulement de l’eau

Équilibre thermodynamique Théorie

A l’interface entre un milieu chargé et un milieu non chargé:ΔΠΔP

OR dans le milieu chargé il existe un excès d’ions (dû fait de la charge des argiles) permanent

toujours un entre les deux milieux à l’équilibre thermodynamique

ΔP

ΔΠ

Donc l’équilibre thermodynamique prédit que la pression dans un milieu chargé est supérieure à celle du milieu non

chargé adjacentLa pression dans les argiles est définie par des auteurs (Sherwood, 1994) comme :

De plus en transitoire la thermodynamique prévoit deux forces motrices pour l’eau : le gradient de pression et le

gradient de potentiel électrochimique.

C’est le processus osmotique décrit dans la littérature

ThéorieÉquilibre thermodynamique Théorie (Annexe)

Équilibre thermodynamique pour la molécule d’eau

Milieu non chargé

ClNa CetCp,

Milieu chargé

ClNa CetC,p

Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu non chargé

Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu chargé

eaubeauReaueau lnCTkpΩμμ

eaubeauReaueau ClnTkpΩμμ

Équilibre thermodynamique de l’eau 0Δμeau

0ΔΠΔP

2 réservoirs

eaueaueau

eaub CCcar

CC

lnTk avec

1CΩCΩ iieaueau

eΨ lnC T k p Ω μ μbR

Équilibre thermodynamique et régime permanent appliqué au Callovo-Oxfordien

Équilibre thermodynamique Application au COX (Annexe)

0z

Π

z

p

1σetCνRTΠavec0z

CνRTσ

z

p

ρgνRTKσ

Kavec

0z

CK

z

pρgK

0z

CK

z

hK

z

pρg1

z

h1

zp

ρg1

zh

zρgp

h

2

2

2

2

2

2

2

2

zc

2

2

c2

2z

2

2

c2

2

z

2

2

2

2

Équilibre thermodynamique

Donc faire le calcul à l’équilibre et en régime permanent reviens à considérer

que l’efficacité de la membrane est égale à 1