Gas migration in deep argillaceous formations : Boom clay and indurated clays

Abstract

Deep geological disposal remains the preferred option at present for the management of long-living and heat-emitting radioactive waste, which consists of confining the waste during a very long period (several hundreds of thousands of years) by placing them in a deep geological formation. Therefore, the understanding of the long-term behaviour of formations is becoming a key issue to ensure the feasibility of the geological disposal facilities, particularly regarding the generation and migration of gases. The present PhD work aims at better understanding the complex hydro-mechanical response of different argillaceous formations to gas migration process. To this end, gas flow through Boom Clay (one of the potential candidate plastic Paleogene clay formations to host nuclear waste in Belgium) has been deeply investigated on the basis of laboratory experiments at different scales and their numerical modelling. This main study has been complemented by presenting tests on two indurated and deeper claystone Mesozoicformations, considered as candidate host rocks in the Swiss programme for deep geological disposal, namely Opalinus Clay and ‘Brauner Dogger’. The different materials have been firstly characterised to evaluate mechanical (compressibility on loading) and two phase flow properties (water retention and permeability). Gas injection tests under oedometer and isotropic conditions have been performed following different testing protocols, in which boundary conditions have been carefully controlled. Major relevance has been given to restore the in situ stress state and to ensure full saturation conditions before the gas tests. Special emphasis has been placed in measuring sample deformation along the gas injection and dissipation process. The anisotropy of Boom Clay has been studied by carrying out tests with bedding planes parallel and normal to flow. Air injections have been performed at three different controlled-volume rates. The dissipation stages after shut-off have been also analysed to study air intrinsic permeability changes. Microstructure of samples before and after air injection tests has been evaluated by different techniques: mercury intrusion porosimetry, field-emission scanning electron microscopy and micro-focus Xray computed tomography. Gas migration turned out to be a fully coupled hydro-mechanical process. Air injection at constant stress induced expansion of the samples during pressure front propagation and compression during air pressure dissipation. The deformational behaviour was dependent on the injection rate. At slower injection rates expansion occurred during the injection while at higher rates it was delayed in time. Air intrinsic permeability resulted higher than water permeability suggesting that air flow took place along preferential pathways. Evaluation of the microstructural changes induced by air migration revealed the opening of fissures and allowed quantifying their apertures and separation, as well as their volume and connectivity. Air intrinsic permeability was found to be dependent on the fissured volume. To complete and better understand the gas transport mechanisms, numerical simulations of the experimental results have been performed using a fully coupled hydro-mechanical finite element code, which incorporates an embedded fracture permeability model to account for the correct simulation of the gas flow along preferential pathways. Clay intrinsic permeability and its retention curve have been made depend on strains through fracture aperture changes. Numerical results not only accounted for the correct simulation of the recorded upstream pressures and outflow volumes and pressures, but also for the volume change behaviour. The experimental and numerical information provided a good insight into the mechanisms of gas transport in deep clay formations and highlighted the role played by the deformational response on the air transport properties of argillaceous rock formations.

El almacenamiento geológico profundo es la solución actualmente aceptada para la gestión de los residuos radioactivos de alta actividad, que consiste en confinar dichos residuos durante un período muy largo de tiempo (varios cientos de miles de años) depositándolos en una formación geológica profunda. De ahí que el entendimiento del comportamiento a largo plazo se esté convirtiendo en una cuestión clave para asegurar la viabilidad de las instalaciones de almacenamiento de residuos, particularmente en lo que respecta a la generación y migración de gases. Este trabajo de doctorado tiene como objetivo mejorar la comprensión en lo que se refiere a la compleja respuesta hidro-mecánica de diferentes formaciones arcillosas frente a procesos de migración de gas. Con este objetivo, el flujo de gas a través de la arcilla Boom Clay (arcilla plástica del paleógeno candidata a alojar los residuos nucleares en Bélgica) se ha investigado en profundidad mediante experimentos de laboratorio a diferentes escalas y su modelación numérica. Este estudio principal se ha complementado con ensayos experimentales en dos formaciones arcillosas del mesozoico (más profundas y endurecidas),posibles candidatas a roca huésped en el programa suizo para el almacenamiento geológico profundo, llamadas Opalinus Clay y 'Brauner Dogger'. Inicialmente, los diferentes materiales han sido caracterizados para evaluar sus propiedades mecánicas (compresibilidad en carga) e hidráulicas (retención de agua y permeabilidad). Los ensayos de inyección de gas, bajo condiciones edométricas e isótropas, se han realizado siguiendo diferentes protocolos de ensayo controlando cuidadosamente las condiciones de contorno, así como, dando prioridad al hecho de restaurar el estado tensional in situ y las condiciones de saturación antes de los ensayos de gas. Además, se ha hecho especial hincapié en la medición de la deformación de las muestras a lo largo de los procesos de inyección y disipación de gas. La anisotropía de la Boom Clay se ha tenido en cuenta realizando ensayos con los planos de estratificación dispuestos en paralelo y perpendicular al flujo. Las inyecciones de aire se han realizado a tres velocidades volumétricas diferentes. Las etapas de disipación se han analizado para evaluar los cambios en la permeabilidad intrínseca al aire. La microestructura de las muestras se ha evaluado antes y después de los ensayos de inyección de aire mediante tres técnicas diferentes: porosimetría de intrusión de mercurio, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo y micro-tomografía computarizada La migración de gases en estas rocas arcillosas saturadas resultó ser un proceso hidro-mecánico totalmente acoplado. La inyección de aire a tensión constante produjo expansión de las muestras durante la propagación del frente de presión y compresión durante la disipación de la presión de aire. El comportamiento deformacional dependió de la velocidad de inyección. A velocidades de inyección más lentas, la expansión se produjo durante la inyección, mientras que, a velocidades más altas, ésta se retrasó en el tiempo. La permeabilidad intrínseca al aire resultó ser más alta que la permeabilidad al agua medida, lo que sugiere que el flujo de aire tuvo lugar a lo largo de vías preferenciales. La evaluación de los cambios microestructurales inducidos por la migración de aire reveló la apertura de fisuras, cuantificando sus aperturas y separación, así como su volumen y conectividad, lo que permitió encontrar una relación de dependencia entre la permeabilidad intrínseca al aire y el volumen fisurado. Para completar la información experimental y comprender mejor los mecanismos de transporte de gas, se realizaron simulaciones numéricas de los resultados experimentales utilizando un código de elementos finitos acoplado, que incorpora un modelo de permeabilidad con fracturas embebidas para explicar el flujo de gas a lo largo de vías preferenciales. La permeabilidad intrínseca de la arcilla y su curva de retención dependen de la deformación a través de cambios en la apertura de la fractura. Los resultados numéricos no sólo reprodujeron de forma correcta las presiones registradas y los volúmenes de salida, sino también el comportamiento deformacional. Esta información experimental y numérica proporcionó una buena visión de los mecanismos de transporte de gas en formaciones arcillosas profundas y en los que destacó el papel desempeñado por la respuesta deformacional sobre las propiedades de transporte de aire.