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Article transport réactif (français)

Dans le document TESI - THESE Per ottenere il titolo di (Page 191-200)

transport réatif en 2D

The inuene of spatial variability on 2D reative transport

simulations

orresponding author : Centre de

Géos-ienes,EoledesMinesdeParis,35rueSaint

Honoré, 77305 Fontainebleau Cedex, Frane,

tel.:(33)164694936,fax:(33)164694713,

vinent.lagneauensmp.fr

Résumé

La desriptionde lavariabilité spatialedans les

simulations de transport réatif est généralement

négligée.Dansetteétude,nousobservonsl'impat

deette variabilitésur lesrésultatsde simulations

2D,surunegéométrieélémentaire,dansunas

hi-mique simple de rétroationnégative:

augmenta-tiondelaporositélorsdedissolutiondealite.Les

résultatsmettentenavantlerleprépondérantde

la portée et de la dispersivité inématique, suivis

parlavariane et la inétique.L'impat de la

va-riabilitéstohastique(entrediérentstirages

aléa-toire)n'est pas négligeablenon plus, puisqu'il est

demême ordrede grandeur queeluide laportée

etdeladispersivité.

Mots-lés :variabilité,transportréatif,

rétro-ation,portée,dispersivité,inétique

Abstrat

Thedesriptionofthespatialvariabilityin

rea-tivetransportsimulationisgenerallynegleted.In

this study, we emphasize the impat of this

va-riability in 2D simulation results, on an

elemen-tarygeometry,forasimplehemistrywithpositive

feedbak: theinreaseofporosityand subsequent

permeability during alitedissolution.the results

highlighttheleadingroleoftherangeandthe

kine-matidispersivity,followedbythevarianeandthe

kinetis.The impatofstohasti variability

(bet-weenseveral draws) isnotnegligibleeither,of the

sameorder ofmagnitude as therange and

disper-sivity.

Keywords:variability,reativetransport,

feed-bak,range,dispersivity,kinetis

Abridged English version

0.1 Introdution

Reativetransportisapowerfultoolforvarious

geos-ienes appliations. However, the expliit desription

ofthespatialvariabilityofitsvariables(porosity,

per-meability,mineralonentrations,...)iswidely

negle-ted,possiblyduetothestillextensiveomputationtime

of reative transport simulations. Thisstudy fousses

ontheimpatofthespatialvariability,andthe

hierar-hisationofthesimulationsparameters.

0.1.1 Tools usedin thestudy

Thespatial variability of permeabilityand porosity

hasbeensimulatedusinggeostatistitoolsonane,

re-gulargrid.SimulatingthroughFastFourierTransform

deompositionallows toeasilyobtaindierent

orrela-tionlengthsfromthesamesetofrandomvalues,

there-fore lteringtheeetofrandomnesswhenomparing

dierent geostatistial ranges. The o-regionalization

modelonsideredisintrinsi,whihmeansthatall

spa-tial strutures, i.e. diret and ross-orrelation

fun-tions, are proportional to one model, whih was set

spheri. The gaussian variables are then lognormally

transformedapplyingaorrelationlawderivedfromthe

Bretjinski'srelation.

Thereative transportsimulations relyonthe

Hy-teode[1℄:anitevolumehydrodynamimodule,on

anon-struturedvoronoï gridoupledto thehemial

speiationodeChess[2℄.

Upsaling tehniques were requiredto linkthe ne

regular grid geostatistial simulations with the oarse

reativetransportgrid.Thesetehniqueshavebeen

dis-ussedin[3℄.

Anumerialexperimentshemehasbeendevisedto

investigate the behaviour of the geostatisti

parame-ters(range,varianeandorrelation)andthe

physio-hemialparameters(dispersivity,kinetis).Allthe

si-mulations have been performed on the same random

drawtoremoveanystohastieet.

0.2 Denition of the system

The system onsidered has been kept as simple as

possible:asquarepermeameter,withonstantowand

onstantonentrationattheupperboundary,onstant

headandzero-gradientonentrationattheoutlet,and

impermeablesides.Thehemial reationisthe

disso-lution of alite CaCO3 by injeted hydrohlori aid

HCl:

CaCO3+ 2HClCa2++CO2(aq)+H2O+ 2Cl (1)

Thisreationleadstoaninreaseoftheporosity.

Clas-sially, Thefeedbak of hemistry on the

hydrodyna-misistakenintoaountbyanupdateofthe

permea-bilityusing aempirial porosity-permeabilityrelation.

Following the hoie on the onstraint for the initial

porosity-permeability orrelation, Bretjinski's law has

inahomogeneousmedium,underthehemial

equi-libriumqssumption,areationfrontprogressesat

uni-formveloity throughthemedium(Fig.1).Forslower

kinetis,thefrontisdilutedandeventuallyvanishesfor

quasiuniformdissolution. Thisbehaviourisontrolled

bythe ompetitionbetweenhemialkinetisand

hy-drodynamis, whih is represented by the number of

Damkhöler:

Da= k·L u·C.

Unsing this formulation, the shift is loated around

Da= 50.

0.2.2 Heterogeneous medium appliation,

denitionof the observables

Under heterogeneous onditions, the reation front

isdistorted,duetothehistoryofdissolution,with

fas-terdissolutionisthehigherpermeabilityareas(Fig.2).

Informationonthe front behaviour anbe quantied.

A rst global observable is the evolution the integral

of remaining alite (Fig. 3) : it aptures the

diver-gene from homogeneity. The seond observable, the

WhiteTopHat(WTH),isameasureofthefrontshape,

thewidthandlengthofpossiblengering.Anexample

ofevolution of theWTHduring asimulation(Fig. 4)

showsthegeneraltendanytoaninreaseofthengers

length,as thengeringdevelops,and aslight inrease

intheirwidthduetotheirslowerosion.

onditions inuene

0.3.1 Spatial parameters

The simulation results (Fig. 5) show the major

ef-fetof therangeonthe divergene fromhomogeneity.

The variane enhane this eet, while the

porosity-permeabilityorrelationhasalowereet.

Also,thefrontshape(Fig.6)ismoreaetedbythe

range : the ngering width is in diret relation with

therange.Thevarianeinreasesthengeringlength,

withouteetontheirwidth.

0.3.2 Dispersivity

Dispersivityhasaneetofthesameorderof

magni-tudeastherange(Fig.7):largedispersivitiessmooth

theheterogeneities.

0.3.3 Kinetis

As the kinetis gets slower (from the equilibrium

state), the dierene from homogeneity inreases

(Fig.8,Da= 93.75).However,whenthekinetisslows

undertheDashift,reationsourmoreuniformly,and

the system getsloserto the homogeneoussimulation

(Fig.8,Da= 18.75).

0.3.4 Stohastivariability

Thestohastieethasbeenassessedon10random

draws,fortwodispersivities(Fig.10):theeetislarge,

ofthesameorderofmagnitudeastheeetoftherange

andthedispersivity.

0.4 Conlusion

The reative transport simulations on an

elemen-tarygeometry,and simplepositive feedbakhemistry

using aninitial spatialvariability enableda

hierarhi-sation of the parameters. The maximum eet,

om-pared to a homogeneous simulation, is reahed for a

large range, low dispersivity and kinetis around the

hemial-hydrodynamialontrolshft.Eetsofthe

va-rianeofporosity-permeabilityorrelationareofseond

order, as the eetof aninitial variability on mineral

onentrations(notshowninthispaper).

Other simulations onanegativefeedbakhemistry

(porosity redution) showed very dierent results. In

thisase,thengeringisstabilizedbythepermeability

redutionatthepositionofthehigherreation rates.

Perspetives inludeageneralisation ofthe

variabi-lity diagnostis of this study and their use for more

realistiproblems.

1 Introdution

La modélisation du transport réatif en milieu

poreux est un outil puissant, de plus en plus

uti-lisédansdiérentsdomainesdesgéosienes,pour

lutions, stokage de déhets ou de gaz,

métallo-génèse, impat d'installations minières... En deux

déennies,degros eorts ontaugmenté

onsidéra-blement la puissane des odes disponibles et les

problèmesqu'ilspeuventtraiter(hydrodynamique

non-saturéeoubiphasique,ouplagethermique,

ré-dox,inétiquesomplexes,mirobiologie,...).

Para-doxalement,unaspetfondamentalensienedela

Terreaététrèslargementoultéparlesdiérentes

études:ladesriptionde lavariabilité intrinsèque

desmilieux géologiques, àtoutes leséhelles. Une

desraisons est vraisemblablement la puissanede

alulrequise pares odes, quilimite enore

sou-ventlessujetsd'étudeàseulementquelquesmilliers

demaillespourdestempsdealulsraisonables.

Dans ette étude, nous avons voulu quantier

l'impatdelapriseenompted'unevariabilité

spa-tialesurlesrésultatsdealulsouplésen2D.Pour

ette raison,nous avonsvolontairementhoisiune

himieetune géométrietrèssimples,aveun

trai-tementpropredelavariablitéspatialeinitiale. Un

plan d'expériene numérique a été mis en oeuvre

pourouvrirlesprinipauxparamètrespouvant

in-uenerlesrésultatsdealulandepermettreleur

hiérarhisation.

1.1 Les outils utilisés

Une variabilitéspatialeinitialeaétégénéréesur

les hamps de porosité et de perméabilité (la

va-riabilitédesonentrations enminéraux réatifs a

été traitée mais ne sera pasabordé e dans e

do-ument). Pourela, nousavonsutilisé des

simula-tionsgéostatistiquesàgrillenerégulièreobtenues

partransformation de Fourier disrète. Cette

te-niquepermetd'obténirdehampsgaussiensde

dif-ferenteslongeursdeorrélationàpartird'ununique

tiragealéatoire,equiéviteleseetsstohastiques

danslaomparaisondedierentesportées.Le

mo-delde orrégionalisationonsidéré est intrinsèque,

toutes fontions, diretes et roisées, de

orré-lationspatialesontmultiplesd'unmodèledebase.

Les variables gaussiennes orrélées ainsi obtenues

sonttransforméesenlognormalenutilisantuneloi

deorrélationporosité-permeabilitéderivéedeelle

deBretjinski.

Letransportréatifaétéaluléàl'aideduode

oupléHytedéveloppéàl'EoledesMinesde

Pa-ris[1℄.Ilreposepoursapartiehydrodynamiquesur

unmodule éoulement, thermique et transport en

volumes nis, sur des maillages non-struturés en

éléments de voronoï. La partie himique est prise

enompte parleode hessde l'Eoledes Mines

deParis[2℄:spéiationenphaseaqueuse,éhange

d'ionset omplexation desurfae,préipitation et

libre/inétique.

Le reours à des tehniques de hangement

d'éhelle a été néessaire pour faire le lien entre

les simulations géostatistiques à grille ne et les

maillages grossiersdesmodélisationsouplées

hi-mie hydrodynamique. Ces tehniques ont été

pré-sentées et disutées dans [3℄ : elles ont été

éta-blies dansleasleplusgénéraldesmaillages

non-struturés utilisés par Hyte, et reposent

fonda-mentalementsurlesbonnespropriétésdumaillage

(triangleséquisurfaesdepartetd'autred'unefae

d'un élémentdemaillage)et dushémade

résolu-tion(alul restreintàlaomposante normaledes

ux auxfaesdesélémentsdemaillage).

1.2 Plan des expérienes

Deuxfamillesdeparamètresontété

partiulière-mentobservésauoursdesexpérienesnumériques.

Lapremièreserapporteauxsimulations

géostatis-tiques:portéea,varianeσetorrélation

porosité-perméabilité ρ. La seondeserapporteàla

repré-sentationphysiqueethimiquedusystème:

disper-sioninématiqueα,inétiquedesréations.

Le plan d'expérienes numériques a onsisté à

explorer l'impat de haun de es paramètres en

leurxantquelquesvaleursdisrètes:deuxportées,

deux varianes,deuxorrélations, deux

dispersivi-tés, inq onstantes inétiques (dont le as limite

des réationsàl'équilibre). Toutes essimulations

ontété eetuées sur le même tirage aléatoire, e

quiélimine leseetspurementstohastiques.

2 Système onsidéré

Le système hydrodynamique étudié est très

simple: il s'agit d'unperméamètrearré,dans

le-quellesonditionsauxlimitesamontsontvitessede

Dary et onentrationimposée,et àl'avalharge

imposée et gradient de onentration nul; les

li-mitessurlestéssontétanhes.Bienqueehoix

de onditions soit restritif d'un point de vue

ap-pliations pratiques,il présente l'avantagede

sim-plier laompréhensiondesrésultatsdealul :le

uide et le réatif entrent dans le système à ux

onstant, indépendamment des propriétés dans le

perméamètreet deleurévolution.

Le système himique retenu est elui de la

dis-solution de la aliteCaCO3 parde l'aide

hlor-hydrique HCl. Cette réation trouve des

applia-tionspratiquesparexempledansledéveloppement

depuits(géniepétrolier,géothermie).Plus

généra-lement, ellese rapprohe desproblèmes d'attaque

aidedelaalite:karstiation,impatd'un

sto-kage de CO2, ... Enn, du point de vue

pure-ment delarétroationde lahimiesur

l'hydrody-namique,ellereprésentel'eetd'uneaugmentation

delaporosité.

Laréationpeuts'érireparexemple:

CaCO3+ 2HClCa2++CO2(aq)+H2O+ 2Cl

(2)

La dissolution de la alite tamponne le pH en

onsommantdel'aide,et produitdesélémentsen

solution, alium, hlorure et CO2 dissous. Cette

réation s'aompagne ainsi d'une diminution du

volume minéral, don d'une augmentation du

vo-lumeporal.

De manière intuitive, la modiation du milieu

poreux implique des modiations en rétroation

surlespropriétés del'éoulementet dutransport.

Lesmodèlesàl'éhelleduVolumeÉlémentaire

Re-présentatifs ne sont pas apables de prendre en

ompte es modiations de manière intrinsèque.

Ilimportedondefournirdel'information

supplé-mentaire pourqu'ilsprennent en ompte ette

ré-troation.L'approhelaplussimpleonsisteàrelier

porosité(variableextensive,alulableparbilande

volume minéral)et perméabilité à l'aided'une

re-lationempirique.Commepourlaontraintesur la

orrélationinitiale,nousavonsretenularelationde

Bretjinski[8℄:

En milieuhomogène,ou de manièreéquivalente

dansuneolonne1D,ensousl'hypothèsede

l'équi-libreloal,ladissolutionprogressesuivantunfront

raide: aliteentièrement dissoute amont et

aliteintateàl'aval(Fig.1).

Lorsque les réations sont ralenties, sous l'eet

d'uneinétiquederéation,le frontdevientmoins

raide,voiredisparaîtomplètementauprotd'une

dissolution quasiuniforme. Ce passage dépend de

laompétitionentrevitesse inétiqueet vitessede

transport,quipeutêtrerésuméeparlenombre

adi-mensionnel de Damkhöler : rapport du temps

a-ratéristiquedelainétiquehimiqueàdelui dela

onvetion.Sonériturepréisedépenddesauteurs

(parexemple [5℄, [6℄,[7℄,[4℄); nousavonsretenu la

dénitionsuivante:

Da= k·L u·C,

kest laonstante inétique [molal/s℄,Lla

lon-gueurdumilieuonsidéré[m℄,ulavitessedeDary

0

Fig.1Prolsdedissolutiondelaaliteenmilieu

homogène,suivantdiérentesvaleursdeDa.

Fig. 1 Calite dissolution proles in a

homoge-neousmedium,forseveralvaluesofDa.

[m/s℄etClaonentrationenHClàlalimite [mo-lal℄. Suivant ette dénition, la transition du

ré-gime inétique au régime hydrodynamique se fait

auxalentoursdeDa= 50(Fig.1).

2.2 Appliation au as hétérogène,

dénition des observables

En milieu hétérogène, la notion de fronts reste

valable,maisleurdistributiondansl'espaedépend

del'historiquedeladissolution:eneet,les

iru-lations de uidesse onentrentdans leszones de

plusforteperméabilité(Fig.2.Enoutre, dansune

zone initialement à forte perméabilité les apports

deréatifssontrenforés,equiaélèrela

dissolu-tion,etaugmenteplusenorelaperméabilité.Cette

rétroationpositiveonduitàlaréationetau

déve-loppementdeheminspréférentiels,quiaentuent

leseetsdelavariabilitéspatialeinitiale.

Les systèmes ainsi simulés sont omplexes, et

nous avons été amenés à dénir ertaines

obser-vablespourquantierlesrésultats.Lapremièrede

es observables est l'évolution au ours du temps

(oudemanièreéquivalente d'aideinjeté)de

l'in-tégralede laaliterestantesurlasurfae du

per-méamètre(Fig.3,enhaut).

On peut remarquer que dans les premiers

ins-tants, la ourbe suit le as homogène : en eet,

l'aideestinjetéàuxonstantet,silainétique

est susamment rapide, réagit (de manière quasi

quantitative) àl'intérieur duperméamètre,

entraî-nantladissolutiond'unequantitééquivalente(mais

déloalisée) de alite. Lorsqu'un point du front

dedissolutionpereleperméamètre,unepartiedu

uides'éhappesansréation,etlaourbes'éarte

delaourbehomogène,jusqu'aumomenttoute

laaliteestdissoute.

Fig.2Exempledefrontderéationdelaalite

dansunmilieuhétérogène(perméabilité ethamp

devitesse) : lefront àhaqueinstant est déformé

parl'historiquedeladissolution,leslignesde

ou-rantseonentrentdansleszonesdeplusforte

per-méabilité,partiulièrementaprèslaperée.

Fig. 2 Example of a alite reating front in a

heterogeneousmedium (permeability and veloity

eld):thefronturrentpositionistheresultofthe

historyofdissolution,thelines ofurrentfouson

thehigherpermeabilityareas,partiularlyafterthe

brakthrough.

utile surletemps de perée duperméamètre,mais

passurlaformedesfronts.Nousl'avonsdon

om-plété par une seonde observable : le White Top

Hat(WTH,Fig.3enbas).Celui-iestunemesure

de l'ouverture de la zone amont, mesuréepar des

élémentsstruturants delongueur roissante.Une

ourbe de WTH déallée vers les petits éléments

estaratéristiquededigitationsdefaibleslargeurs

(ourbebleue); lalargeuraratéristiquedes

digi-tationsestdonnéeparlepointderupturedepente

de la ourbe (ii aux alentours de 10). En outre,

lahauteuratteinteparlaourbeWTHdonne une

indiationsurlaprofondeurdeesdigitations.

Unexempled'évolutiondufrontdansune

simula-tionhétérogèneauoursdutempsestdonnéFig.4.

On peut observer sur la séquene de ourbes

WTH un aroissement dans le temps de la

pro-fondeur des digitations (déélage vers le haut du

palier), eet de la rétroationpositivedéjà

disu-tée, ainsi qu'unelégère augmentation auours du

temps de la largeur aratéristique de es

digita-tions(déalageversladroite),quiestliéeàlalente

érosiondeesheminspréférentiels.

3 Inuene de la variabilité

et des onditions

hydrodyna-miques

Nousavonsmenélepland'expérienes1.2surla

basedeesdeuxobservables.

3.1 Inuene des paramètres

spa-tiaux

Nous avons mené les aluls sur un ensemble

exhaustif de paires de valeurs pour la portée a,

la variane σ et la orrélation initiale

porosité-perméabilité ρ, dans le as équilibre thermodyna-mique,aveunedispersion inématiqueélevée(0.1

foislatailleduperméamètre).

Lesrésultatsdualulsousformeintégrale(Fig.

5)montrentl'inuene prépondérantedelaportée

asurl'éartàlasimulationhomogène.

En eet, les fortes portées permettent la

réa-tion de strutures plus développées, qui peuvent

mieuxonduireàdeshenalisations.Lavarianeσ

aune inuene moins importante :pourles fortes

varianes,l'eet dela portéeest augmenté.Enn,

la orrélation a un rle mineur : les fortes

orré-lations augmententaussil'éart auas homogène,

mais eteet n'estréellementvisible quepourles

fortesportéeset fortesvarianes.

0 50 100 150 200 250 300

Fig.3Lesdeuxobservablesonsidéréesdanset

étude: intégrale de laalite restante en fontion

dutemps(référenehomogèneenpointillés),White

TopHat.

Fig.3Theobservablesofthisstudy:remaining

aliteintegralasafuntionoftime(homogeneous

referenein dot-line),WhiteTopHat.

20 40 60 80 100

0200400600Surface WTH (n. mailles)

Longueur élément structurant [m]

time

Fig. 4Évolutiondelaformedufront(exprimée

enWTH)auoursdesaprogressiondanslemilieu.

Fig. 4 Front shape evolution (as WTH) during

itsprogressionthroughthemedium.

Fig.5Inuene delavarianeσpourdiérentes

portéesetoeientsdeorrélation:ourbes

inté-grales.

Fig. 5 Inuene of the variane σ for several

rangesandorrelationoeients:integral.

20 40 60 80 100

Fig.6Inuenedelavarianeσpourdiérentes

portéeset oeientsdeorrélation:WTH.

Fig. 6 Inuene of the variane σ for several

rangesandorrelationoeients: WTH.

Dupointdevuedelaforme desfronts,onpeut

remarquer aussi l'impat prinipal de la portée

(Fig.6).

La largeur des digitations est ainsi en relation

direte ave la portée (20 pour une portée 10, 60

pouruneportée30).Ilaétévériésurdes

simula-tionsgrandelargeur(20foislaportée)queeteet

n'étaitpasuneetdebord.

On remarqueraenorel'inuene dela variane

qui augmente la profondeur des digitations, sans

modiersensiblementleurlargeur.Laorrélationa

modiersensiblementleurlargeur.Laorrélationa

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