Le laboratoire LMRGA de l’Université de Sherbrooke, a mis au point un dispositif expérimental de perméabilité susceptible de reproduire les conditions souterraines définies par [Ballivy et al., 1992]:
• Une épaisseur de 200 à 1000 m de roches dont la perméabilité varie de 10-16 à 10-22 m².
• Des états de contraintes anisotropes, souvent biaxiaux, avec des valeurs très élevées : σv max = 45 MPa, σh max = 30 MPa [Colin, 1990].
• Une colonne d’eau d’environ 10 MPa au maximum et des gradients hydrauliques très élevés.
• Des températures pouvant atteindre 150°C.
• La circulation de fluides dont la composition chimique est variée.
La description de ce perméamètre original est brossée dans un premier temps, puis l’influence des conditions opératoires sur la mesure de perméabilité à l’eau est analysée.
1. APPAREILLAGE EXPERIMENTAL
Pour tester des éprouvettes en laboratoire dans les conditions de stockage en profondeur, un perméamètre radial a été conçu spécialement pour répondre aux besoins en pression, température et chimie des eaux souterraines; d’où son appellation de « perméamètre environnemental » [Colin, 1990].
La technique d’essai utilisée est celle de l’écoulement permanent.
Le perméamètre environnemental peut être doublement régulé, à la fois en pression jusqu’à 15 MPa, et en température de 20 à 150°C (± 0,2°C).
Afin de permettre la compatibilité du système avec des fluides de composition chimique variée, il a été réalisé en matériaux inertes. Le concept des essais a été développé par Bernaix [Bernaix, 1967] :
• les échantillons testés sont des cylindres comportant une perforation axiale qui peut être complète ;
• l’écoulement crée est radial.
Deux modes d’études sont possibles : convergent ou divergent.
Dans le mode d’étude convergent, la pression extérieure Pext (Pa) est supérieure à la pression à l’intérieur de l’échantillon, Pint (Pa), soit Pext>Pint. Le fluide s’écoule vers le cœur de l’éprouvette. Ce mode sera préféré pour son analogie hydraulique avec les écoulements in situ induits lors de la resaturation de la barrière ouvragée et l’état de contrainte réaliste qu’il engendre dans l’éprouvette, ce qui permet aussi d’échantillonner le lixiviat sans dilution. En mode divergent, la pression extérieure est plus faible que la pression intérieure (Pint>Pext). Le fluide s’écoule du cœur vers l’extérieur de l’éprouvette. Dans certains cas où il est utile de générer dans l’éprouvette des états de contrainte de traction, le mode divergent est alors employé. Ce mode à priori ne nous intéresse pas pour notre étude, car il augmente artificiellement la perméabilité des matériaux (cf. Chapitre II, §3.2.4.2) et le lixiviat est dissout dans l’eau de confinement.
Quel que soit le mode d’écoulement adopté, le différentiel de pression ∆P est calculé par la différence : ∆P = Pext – Pint. Par convention, positif il indique un mode convergent et négatif divergent.
1.1. SCHEMA GENERAL
Le dispositif du perméamètre environnemental (figure IV.A.1.) est composé d’une cellule perméamétrique, d’un système de mise en pression hydraulique unique qui crée à la fois le confinement et l’écoulement, d’un système de chauffage extérieur à la cellule, d’un système de mise en charge axiale des éprouvettes et d’une interface informatique permettant la visualisation et l’acquisition des paramètres (pression, charge axiale, température).
Figure IV.A. 1 : Photographie du perméamètre environnemental.
1.2. CELLULE PERMEAMETRIQUE
Il s’agit d’une cellule à écoulement radial (figure IV.A.2). La paroi de cette cellule est dimensionnée pour une pression de service de 80 MPa, valeur correspondant à la limite élastique de l’acier inoxydable utilisé. Chacune des quatre tiges, assemblant les embrases apposées sur la paroi cylindrique, travaille à la limite élastique pour une pression de 25 MPa. Des joints Vitton assurent l’étanchéité entre les embrases et le corps de cellule.
En mode d’utilisation convergent, la pression extérieure Pext est appliquée à travers l’embrase supérieure et la pression intérieure de l’échantillon Pint est reliée à une burette. Une réserve dans l’embrase supérieure accueille le thermocouple qui sert au suivi de la température dans la cellule.
Finalement le corps de cellule peut être utilisé de manière sécuritaire pour un différentiel de pression jusqu’à 40 MPa (soit avec un coefficient de sécurité égal à 2 sur la limite élastique de la paroi cylindrique).
1.3. SYSTEME DE MISE EN PRESSION
Le système est conçu pour trois cellules perméamétriques fonctionnant en parallèle, avec une pression d’injection maximale de 15 MPa, servant à la fois au confinement et à l’écoulement.
Un système de mise en pression d’eau par pompe à diaphragme (de pression maximale 14,7 MPa et de débit 1,6 l.h-1) est le plus adapté étant donné les perméabilités à tester (figure IV.A.3).
La pression fournie par la pompe est réglée par une soupape de sécurité, dont le cycle ouverture-fermeture est en phase avec les à-coups de la pompe ceci provoquant une variation de 10% de la pression toutes les secondes. Une seconde régulation est placée en aval et comprend une vanne de sécurité activée par un rétrocontrôleur pneumatique.
L’éprouvette est soumise à cette pression dite d’injection et le différentiel de pression ∆P à travers la paroi est réglé par une autre soupape de sécurité qui maintient les pressions avec des variations négligeables (de l’ordre de 0,5%).
Dans le cas du mode d’utilisation radial convergent, la cavité interne de l’échantillon est reliée à l’entrée d’une burette où s’accumule le liquide qui à percolé. La sortie de cette burette est reliée à un compresseur qui applique la pression intérieure Pint de l’échantillon. Il est important d’appliquer une pression intérieure même très faible (Pint ≈ 0,5 MPa), afin de stabiliser le différentiel de pression.
Figure IV.A. 3 : Système de mise en pression du perméamètre environnemental.
1.4. SYSTEME DE CHAUFFAGE
La thermorégulation de chaque cellule est assuré par une chemise chauffante cylindrique entourant le corps de cellule : enveloppe calorifugée à l’extérieur et thermoconductrice à l’intérieure, équipée de fils chauffants (figure IV.A.4). Chaque chemise