French-Serbian European Summer University 16-25 October 2006 : Renewable Energy Sources and Environnement-Multidisciplinary Aspect 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) (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) Overpressures Deepth (m/soil) Apparent hydraulic head (m ASL)

Can you explain these overpressures by an osmotic process? Geological origins of the 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?

Main parts of the subject The modelling hypothesis : - thermodynamic equilibrium -dynamic coupled flux Validation of the modelisation hypothesis Field scale experiments (underground laboratory of Bure) Sample scale experiments Scale effect

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

Calculation Ionic concentration in the shale pore space (mol.m-3) Excess head (m) Permeability (m.s-1) 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 !

Équilibre thermodynamique  Réactions de surface 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 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 d’après Revil et Leroy, 2004 Présence PERMANENTE d’une concentration en ions plus importante dans un milieu chargé par rapport à un réservoir non chargé en contact d’après Davies et al., 1978

Théorie Flux d’eau nul Équilibre thermodynamique de l’eau Équilibre thermodynamique  Théorie Théorie Milieu non chargé Équilibre thermodynamique pour la molécule d’eau 2 réservoirs non chargés séparés par un milieu chargé Flux d’eau nul Milieu chargé Milieu non chargé Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu non chargé Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu chargé Équilibre thermodynamique de l’eau avec

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

C’est le processus osmotique décrit dans la littérature Équilibre thermodynamique  Théorie A l’interface entre un milieu chargé et un milieu non chargé: 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 Donc l’équilibre 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 : Pression de pore Pression structurelle ne prenant pas part à l’écoulement de l’eau Pression effective = pression partielle du solvant 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

Théorie Équilibre thermodynamique  Théorie (Annexe) Milieu non chargé 2 réservoirs Équilibre thermodynamique pour la molécule d’eau Milieu chargé Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu non chargé Potentiel électrochimique de l’eau dans un milieu chargé Équilibre thermodynamique de l’eau avec

Équilibre thermodynamique Équilibre thermodynamique  Application au COX (Annexe) Équilibre thermodynamique et régime permanent appliqué au Callovo-Oxfordien 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