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Measurements of the chemico- osmotic efficiency coefficient in the Callovo-Oxfordian shale of the Paris basin ROUSSEAU-GUEUTIN, P. (1), de GREEF, V. (2),

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1 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 October 2006 : Renewable Energy Sources and Environnement-Multidisciplinary Aspect (1) UMR SISYPHE, Université Pierre et Marie Curie, Boite 125, 4 Place Jussieu, PARIS Cedex 5 (2) LMS, Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole Polytechnique, PALAISEAU cedex (3) ANDRA, Laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne, RD 960, BURE

2 What is the Callovo-Oxfordian clay?

3 Apparent hydraulic head (m ASL) Deepth (m/soil) Overpressures

4 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

5 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

6 Some results Modelisation hypothesis: Uncharged porous media P, C na and C Cl Charged porous media P*, C Na and C Cl Thermodynamic equilibrium only for water molecules Equilibrium condition : Total pressure Partial pressure of the solvent Osmotic pressure The total pressure in a charged porous media is defined as

7 Calculation Ionic concentration in the shale pore space (mol.m -3 ) Permeability (m.s -1 ) Excess head (m) Question : Which pressure is measured by the pressure transducer (P or P)?

8 Experimental protocol Thermodynamic equilibrium: the same concentration in the both circuits Perturbation condition: concentrations differents between the two circuits

9 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.

10 Thank you for your attention !

11 Plaquettes dargile 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 lactivité de leau dans les argiles Répartition 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 dune concentration en ions plus importante dans un milieu chargé par rapport à un réservoir non chargé en contact daprès Revil et Leroy, 2004 daprès Davies et al., 1978

12 Théorie Équilibre thermodynamique Théorie Équilibre thermodynamique pour la molécule deau Milieu non chargé Milieu chargé Potentiel électrochimique de leau dans un milieu non chargé Potentiel électrochimique de leau dans un milieu chargé Équilibre thermodynamique de leau 2 réservoirs non chargés séparés par un milieu chargé avec Milieu non chargé Flux deau nul

13 Équilibre thermodynamique Théorie Aquifère 1 Aquifère 2 p (pression effective) (pression des argiles)

14 Pression de pore Pression effective = pression partielle du solvant Pression structurelle ne prenant pas part à lécoulement de leau Équilibre thermodynamique Théorie A linterface entre un milieu chargé et un milieu non chargé: OR dans le milieu chargé il existe un excès dions (dû fait de la charge des argiles) permanent toujours un entre les deux milieux à léquilibre thermodynamique Donc léquilibre thermodynamique prédit que la pression dans un milieu chargé est supérieure à celle du milieu non chargé adjacent La pression dans les argiles est définie par des auteurs (Sherwood, 1994) comme : De plus en transitoire la thermodynamique prévoit deux forces motrices pour leau : le gradient de pression et le gradient de potentiel électrochimique. Cest le processus osmotique décrit dans la littérature

15 Théorie Équilibre thermodynamique Théorie (Annexe) Équilibre thermodynamique pour la molécule deau Milieu non chargé Milieu chargé Potentiel électrochimique de leau dans un milieu non chargé Potentiel électrochimique de leau dans un milieu chargé Équilibre thermodynamique de leau 2 réservoirs avec

16 Équilibre thermodynamique et régime permanent appliqué au Callovo-Oxfordien Équilibre thermodynamique Application au COX (Annexe) Équilibre thermodynamique Donc faire le calcul à léquilibre et en régime permanent reviens à considérer que lefficacité de la membrane est égale à 1


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