Hydratation par osmose

Lorsqu’une solution saline est s´epar´ee de l’eau pure par une membrane semi-perm´eable id´eale (permettant uniquement le passage des mol´ecules d’eau mais non des substances dissoutes), l’eau pure a alors tendance `a traverser la membrane pour diminuer la concentration de la solution. Ce ph´enom`ene est appel´e osmose. La pression qu’il faut appliquer pour empˆecher l’arriv´ee de l’eau dans la solution saline est nomm´ee la pression osmotique (Fig. 2.12).

Fig. 2.12 – Ph´enom`ene osmotique id´eal

Si la concentration de l’eau libre est inf´erieure `a la concentration de l’eau de la double couche, il en r´esulte alors une migration des mol´ecules d’eau des pores larges vers les particules argileuses entraˆınant l’augmentation de la distance interfeuillet.

A contrario, il en r´esulte une pression osmotique d’attraction entraˆınant la contraction du mat´eriau argileux.

Le ph´enom`ene d’hydratation par osmose permet d’expliquer le fait que lorsque la salinit´e de la solution d’hydratation augmente, le mat´eriau argileux gonfle moins [28, 136, 115]_.

Morgenstern et Balasubramonran [86] ont ´etudi´e l’influence du chimisme de l’eau des pores sur le gonflement des argiles. Ils ont montr´e que l’eau distill´ee ou pure ´evince les substances chimiques augmentant par cons´equent le gonflement et la pression de gonflement.

Dans le domaine p´etrolier, les chercheurs ont assimil´e l’effet osmotique `a l’activit´e chimique. Cette activit´e, comme d´ej`a mentionn´e, diminue avec la salinit´e de la solution et vaut 1 dans le cas de l’eau pure.

A partir des essais d’´echange massique effectu´es sur des ´echantillons d’argilite plong´es dans dif- f´erentes solutions salines, Hale et Mody [51] _{ont mis en ´evidence l’importance de l’activit´e initiale}

de l’argilite. Si la solution saline poss`ede une activit´e plus faible que celle de l’eau des pores, une d´eshydratation est observ´ee. A l’inverse, si cette activit´e est plus ´elev´ee, il y a un gonflement et une augmentation de la teneur en eau. L’immersion de la roche dans une solution dont les caract´eris- tiques chimiques sont proches de celles de l’eau des pores ne provoque aucun changement.

Chenevert[23] a utilis´e l’appareil triaxial pour mesurer la pression du gonflement lat´erale des ´echan- tillons d’argilite bloqu´es axialement. Ses essais montrent une diminution de la pression de gonflement avec la diminution de l’activit´e initiale de la solution hydratante.

Efficacit´e de l’argilite

Plusieurs recherches ont fait apparaˆıtre la non id´ealit´e de la membrane semi-perm´eable. Pour mieux tenir compte de l’efficacit´e de l’argilite (efficiency of shale), un nouveau concept a permis d’introduire un facteur correcteur inf´erieur `a 1 appel´e coefficient de r´eflexion (reflection coefficient). Ce coefficient est ´egal au rapport entre la pression de gonflement mesur´ee en laboratoire, dans le cas du gonflement empˆech´e, et la pression osmotique ∆π qui peut s’´ecrire sous la forme suivante [22, 91] _:

∆π = R.T Vm  .Ln as ap  (2.7) R est la constante des gaz parfaits (8,3143 J.mol−1.K−1), T est la temp´erature absolue (◦K), Vm est

le volume molaire de l’eau (1,8.10−5m3_.mol−1_{), a}

p est l’activit´e de l’eau des pores et as est l’activit´e

de la solution d’hydratation. Trois cas sont `a consid´erer [51, 93] :

– si l’argilite interdit le passage des ions, elle r´eagit alors comme une membrane semi-perm´eable id´eale avec un coefficient de r´eflexion ´egal `a 1,

– si l’argilite laisse passer librement les ions, elle r´eagit alors comme une membrane semi- perm´eable non-s´elective avec un coefficient de r´eflexion ´egal `a 0. Dans ce cas, le mouvement des ions tend `a ´equilibrer le syst`eme et `a ´eliminer les forces osmotiques,

– si l’argilite agit interm´ediairement entre les deux cas pr´ec´edents, le coefficient de r´eflexion est alors compris entre 0 et 1.

L’efficacit´e de la membrane d´epend de plusieurs facteurs comme la capacit´e d’´echange cationique, la porosit´e, la surface sp´ecifique et la concentration de l’eau des pores [43, 94] .

Lal [72] _{a reli´e le coefficient de r´eflexion aux rayons des pores r}

p, aux rayons des ions de la solution

rs et aux rayons des mol´ecules d’eau rw de la fa¸con suivante :

σ = 1 − (rp− rs)

2

(rp− rw) 2

de pression hydraulique [37, 94, 105] ou par des essais ´electrochimiques [78].

Van 0rt et al. [94] ont utilis´e le concept des essais de transmission de pression hydraulique afin de d´eterminer l’efficacit´e de la membrane semi-perm´eable. L’´echantillon est alors plac´e dans une cellule triaxiale. Une solution chimique est inject´ee en bas de l’´echantillon `a une pression constante. La pression de sortie en haut de l’´echantillon est enregistr´ee au fur et `a mesure du temps. Apr`es un certain temps, cette pression se stabilise. La diff´erence entre la pression d’injection et la pression finale r´ecup´er´ee en haut de l’´eprouvette (∆p) est une bonne illustration de la non-id´ealit´e de la membrane.

Le coefficient de r´eflexion est calcul´e alors en utilisant l’´equation suivante : σ = ∆p

∆π

Lomba et al. [78] ont utilis´e une nouvelle approche exp´erimentale afin de mesurer l’efficacit´e de la membrane semi-perm´eable. Cette approche consiste `a mesurer la diff´erence du potentiel ´electro- chimique entre deux solutions chimiques de diff´erentes concentrations plac´ees aux deux extr´emit´es de l’´echantillon. Ces auteurs ont mis en ´evidence l’influence de la composition chimique initiale de l’eau des pores sur le potentiel ´electrochimique.

L’efficacit´e des argilites n’est applicable que dans le cas o`u la solution chimique traverse l’´echantillon par des forces osmotiques dues `a la diff´erence de concentrations entre la solution externe et l’eau des pores.

Critique de l’utilisation de l’activit´e

Le ph´enom`ene de gonflement ne peut pas ˆetre imput´e uniquement `a une diff´erence de concentration ou d’activit´e entre la solution externe et l’eau des pores. Cela n’est pas sp´ecifique aux mat´eriaux argileux qui se caract´erisent par la formation de la double couche diffuse.

D’apr`es Horsud et Sonstebo [55], le gonflement d´epend seulement des dimensions des cations ´echan- geables de la solution hydratante et non de l’effet de l’activit´e.

Gasc-Barbier [46] _{a effectu´e des essais triaxiaux sur l’argilite de Bure sous confinement isotrope de}

12 MPa. Pour l’eau distill´ee et pour des solutions de NaCl et de CaCl2 `a deux concentrations dif-

f´erentes (1 M et 0.2 M), les taux de gonflement axial et radial sont presque identiques quelque soit la composition de la solution chimique. A partir de ces essais, l’auteur a imput´e le ph´enom`ene de gonflement aux ´echanges ioniques interfeuillets et non aux effets osmotiques.

De mˆeme, l’interpr´etation des essais m´ecaniques par l’utilisation de l’activit´e pr´esente des inconv´e- nients.

Les essais de mesure de la vitesse du son, effectu´es par Holt et al[54]_{, sur des argilites pr´ealablement}

immerg´ees dans des solutions chimiques (KCl, NaCl, CaCl2), se manifestent par un accroissement

de la vitesse du son, autrement dit une rigidification de la roche, avec la concentration en K+. CaCl2 n’a aucun effet alors que NaCl a tendance `a r´eduire la vitesse du son, ce qui entraˆıne une

d´egradation des propri´et´es m´ecaniques.

Les auteurs ont attribu´e ces diff´erentes interactions aux dimensions des cations ´echangeables et non `

a l’activit´e de la solution saline. Le rayon de K+ _{est 50 % plus petit que celui de Ca}2+_.

L’´evolution du comportement m´ecanique des argilites en fonction de la concentration en cations K+_{, Na}+ _{et Ca}2+ _{de la solution chimique a ´et´e ´etudi´ee par Sonstebo}[112] _{et Horsud et Sonstebo}[55]_.

Leurs r´esultats exp´erimentaux montrent que le KCl entraˆıne la contraction de la roche. Cependant, la r´esistance `a la compression simple augmente jusqu’`a certaines concentrations en K+ _{puis d´ecroˆıt}

au-del`a. La partie ´elastique n’est pas affect´ee par la contraction, au contraire de la partie plastique et du pic de r´esistance.

A l’inverse, l’exposition de l’argilite `a une solution de CaCl2ayant la mˆeme activit´e que KCl n’induit

aucun changement des param`etres m´ecaniques.

Les auteurs ont imput´e la diminution de la rigidit´e du mat´eriau `a l’extraction de l’eau li´ee provo- quant une modification de la structure interne de la roche. Par contre, l’extraction de l’eau libre entraˆıne une diminution de la pression des pores et n’a aucun effet sur le changement de la rigidit´e de la roche.