Chapitre 3 Caractérisation par la mesure de la perméabilité au gaz des éprouvettes
4 Caractérisation de la perméabilité sur une éprouvette fracturée (EST1291-2)
4.2 Etude de la déformation
A partir de la courbe contrainte-déformation, les valeurs du module de déformation axiale tangent ont été déterminées (Tableau 3-22). Ce module augmente légèrement lors de chargement. Ceci signifie que l’augmentation du déviateur induit une compaction de l’éprouvette et une réduction de la taille des pores et une fermeture des microfissures, ce qui est en accord avec la diminution des valeurs de perméabilité au gaz mesurée. La valeur moyenne du module est de 7700 MPa, ce qui est relativement élevé et qui ne traduit pas une influence de la discontinuité présente dans cette éprouvette.
0 5 10 15 20 25 30 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Déformation(%) P a x ia le (M P a ) Perturbation artificielle
Figure 3-50 : Courbe de la déformation axiale vs la contrainte axiale.
Tableau 3-22 : Valeurs du module de déformation et de la perméabilité au gaz mesurée pour les différents paliers de contraintes imposés.
Cycle Chargement Paxiale 0→12 12→18 18→23 23→28 Contraintes [MPa] Pconfinement 0→12 12 12 12 E [MPa] 6713 7743 7144 9331 kgaz [10-21 m²] 3 2,5 2,3 1,5 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 0 5 10 15 20 25 30 Temps (j) D é fo rm a ti o n (% ) 0 5 10 15 20 25 30 35 C o n tr a in te (M P a ) Déformation Paxiale
Figure 3-51 : Déformation axiale et contrainte axiale en fonction du temps.
Le fluage est plus significatif pour le palier du déviateur de 16 MPa et la vitesse de la déformation est de 9,33.10-10 s-1 à la fin de ce palier.
Après démontage de la cellule, l’observation de la discontinuité n’a pas montré de signe d’endommagement ou de poinçonnement lié à une concentration de contraintes. L’influence de la discontinuité sous un confinement de 12 MPa apparaît donc comme non significatif vis- à-vis d’un flux de gaz normalement à celle-ci.
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Conclusions
Les valeurs de la perméabilité au gaz mesurée pour les différentes éprouvettes sont très faibles, de l’ordre de 10-21 m2. Il n’y pas de grandes variations entre les différentes éprouvettes, bien qu’elles représentent différente positions par rapport à la paroi, ce qui signifie qu’il n’existe pas d’endommagement important pour les éprouvettes proches à la paroi. Seule une légère augmentation, en moyenne, à proximité de la paroi peut être mise en évidence. Plus généralement, les valeurs de perméabilité au gaz mesurées diminuent avec une augmentation du déviateur et elles augmentent lors du déchargement, avec une irréversibilité marquée. Ce phénomène peut s’expliquer par une fermeture de microfissures et/ou une compaction des éprouvettes lors du chargement et une réouverture partielle et/ou création de microfissures lors du déchargement. La part d’irréversibilité est liée à une déformation permanente, donc du fluage pendant le cycle de chargement mécanique.
Les valeurs mesurées sont du même ordre de grandeur que celles attribuées au matériau saturé. Les éprouvettes testées étant proches de la saturation, la perméabilité effective au gaz devrait être inférieure à celle du matériau saturé de plusieurs ordres de grandeur. L’existence d’un flux parasite et l’impossibilité d’assurer qu’il n’y avait pas d’écoulement épidermique du gaz au niveau du contact éprouvette-jaquette d’étanchéité ne nous permet pas d’attribuer formellement les valeurs mesurées à une caractéristique intrinsèque des éprouvettes. Elles ne sont donc qu’à considérer en tant qu’indicateur de l’état du matériau et à analyser du point de vue de leur variation.
La valeur moyenne du module des éprouvettes est de l’ordre de 5000 MPa sous une contrainte de confinement comprise entre 9 et 12 MPa. Cette valeur est en accord avec les résultats obtenus in situ. Les valeurs lors du chargement sont inférieures à celles déterminées lors du déchargement et s’expliquent par le fait que lors du déchargement la déformation plastique est réduite et la part élastique du comportement plus marquée. La faible variation des valeurs du module lors du chargement ne permet pas de caractériser un endommagement significatif des éprouvettes suite au déviateur imposé (18 MPa maximum) ou un endommagement initial des éprouvettes en relation avec leur position par rapport à la paroi du puits. Un léger endommagement peut être mis en évidence dans la zone 0-0,5 m mais les variations sont du même ordre de grandeur que la dispersion des valeurs.
La légère diminution de la vitesse des ondes ultrasonores entre la carotte de référence (distance à la paroi égale à 12 m) et les carottes plus proches du parement indiquerait un endommagement en fonction de la distance de la paroi, mais en raison de la dispersion des valeurs, de nombreuses mesures complémentaires seraient nécessaire pour le confirmer et le caractériser. La faible variation de la vitesse des ondes avant et après un essai avec chargement mécanique signifie que l’état d’éprouvette (degré de saturation et texture de l’éprouvette) ne change pas significativement pendant la mesure sous déviateur de contraintes, du moins la part irréversible.
La tentative de mesure de la pression d’entrée de gaz avec l’éprouvette EST20567-1 montre que la pression d’entrée devrait être supérieure à 9 MPa pour une contrainte isotrope à 12 MPa sous réserve de la validité du protocole utilisé qui ne permet pas de déterminer la valeur de la pression du fluide interstitiel. Cette valeur serait supérieure à celles retenues dans le référentiel du site.
A l’issue des essais, une distribution non homogène du fluide interstitiel dans l’éprouvette a été confirmée par les faits suivants : diminution de la masse des éprouvettes, la face aval des éprouvettes est plus sombre que la face amont et la surface latérale et enfin la variation de masse du disque poreux aval est plus importante que celle du disque amont.
La variation de masse des éprouvettes est globalement égale à celles des disques poreux. La simple simulation du déplacement du fluide interstitiel par la gradient de pression imposé confirme la possibilité que du fluide interstitiel soit déplacé par le gaz. Mais la faible quantité du transfert de l’eau, de l’ordre de 0,1 g, sur une masse initiale d’environ 7 g, montre que la mise au contact du gaz ne modifie pas l’état de saturation de l’éprouvette.
Pour certains essais, un flux parasite a fortement perturbé les mesures conduisant même à une impossibilité d’interprétation. L’hypothèse d’une contribution de la dissolution du gaz dans le fluide interstitiel a été étudiée. Même si la quantité de gaz pouvant être dissous est non négligeable, la contribution de ce processus pour expliquer le flux parasite est très limitée. De plus la cinétique de la dissolution, liée à la valeur du coefficient de diffusion apparent, n’est pas compatible avec les observations. Ceci à conduit à établir que dans les conditions expérimentales du banc de mesure, la contribution d’un flux par diffusion du gaz est équivalente à un flux par convection du gaz dans un milieu dont la perméabilité serait inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la sensibilité du banc de mesure. Donc il est possible de négliger un tel effet dans la mesure de la perméabilité.
Lors des essais, deux éprouvettes ont été rompues. La première avec des fractures normales à son axe et le second avec des fractures recoupant les faces. Dans les deux cas, aucun indice sur les variations des pressions de gaz au niveau des faces de l’éprouvette n’a pu être mis en évidence à l’instant de la rupture. Ceci conduit à remettre en cause les conditions de confinement (11 MPa) qui si, en raison des propriétés du matériau, peuvent occulter l’influence de fractures macroscopiques, elles doivent alors masquer les différences liées aux variations de l’endommagement créé par le creusement du puits. La valeur de perméabilité au gaz mesurée sur une éprouvette fracturée lors de sa préparation est de l’ordre de 3.10-21 m² et son évolution pendant le chargement est semblable à celle des autres éprouvettes mesurées. Cette faible valeur est à lier à un contact parfait entre les deux sous-éprouvettes et au fait que la discontinuité était normale à la direction d’écoulement du gaz. Néanmoins ces trois exemples permettent de réduire l’influence de discontinuités sur l’écoulement d’un gaz dans le matériau saturé si la contrainte est proche de la contrainte in situ.