PROPRIETES HYDRAULIQUES DE LA CRAIE

Dans les chapitres précédents, on a pu mesurer, par une méthode transitoire, la perméabilité de l’argilite de l’Est et de la siltite du Gard, deux roches peu poreuses et ayant une faible teneur en eau. Et aussi par la méthode permanente, la perméabilité du grès, une roche beaucoup plus perméable. Ce qui nous a poussé, dans ce qui suit, à soulever quelques questions :

Comment mesure-t-on la perméabilité de la craie ?

Quel est l’effet du fluide injecté sur la structure de la craie ?

Dans le cas d’une roche très poreuse ayant une grande teneur en eau, comme la craie, quel serait l’effet des sollicitations mécaniques sur l’évolution de la perméabilité ?

Les essais que l’on va réaliser tout au long de cette partie, visent à apporter des éléments de réponse à ces questions.

VIII.1. Essai de perméabilité à l’eau

VIII.1.1.

Mesure de la perméabilité initiale

Etant donné la grande perméabilité de la craie comparée aux argilites étudiées dans les chapitres précédents, il est possible et plus simple d’utiliser la méthode des débits. C’est une méthode en régime permanent, qui consiste à injecter de l’eau d’un coté de l’éprouvette et de la récupérer de l’autre côté. On mesure la perméabilité axiale par une injection parallèle à l’axe principal de l’éprouvette.

VIII.1.2.

Dispositif et procédure expérimentale mis en œuvre

Les essais ont été réalisés sous faible confinement à des pressions d’environ 0,5 MPa. La pression de confinement a été imposée par le contrôleur de pression-volume GDS.

La saturation de l’éprouvette a duré deux jours, en utilisant l’eau spécialement préparée ; c’est une eau saturée et en équilibre chimique avec les constituants de la craie. Les différentes caractéristiques de l’éprouvette avant et après la saturation sont données dans le tableau VI-2 suivant : Avant saturation Après saturation Poids (g) Hauteur (mm) Diamètre (mm) haut milieu bas 557,45 119,4 59,9 59,8 59,6 671,1 119,1 59,7 59,6 59,6 Teneur en eau Porosité 21 % 34 %

Tableau VI-2 : Différentes caractéristiques de l’éprouvette avant et après la saturation L’éprouvette est entourée d’une jaquette en viton et placée dans la cellule triaxiale, les déplacements axial et latéral ont été contrôlés à l’aide de deux extensomètres.

Dans un premier temps, un chargement isotrope a été appliqué à la pression de confinement désirée (0,5 MPa). Cette première étape visait à assurer l’étanchéité autour de l’éprouvette (pour s’assurer que l’eau injectée passe à travers l’éprouvette et non sur les côtés, et que l’huile de confinement ne pénétre pas à l’intérieur de l’éprouvette). Puis, une pression d’injection est appliquée jusqu’à 0,3 MPa. L’essai a été réalisé à température ambiante.

Des précautions ont également été prises pour assurer la bonne saturation initiale du circuit hydraulique. Avant chaque essai le circuit hydraulique est vidangé puis rempli par la même eau utilisée pour l’injection.

VIII.1.3.

Résultats

L’injection est effectuée à travers le talon inférieur pour améliorer davantage la saturation, et on attend que l’écoulement ait atteint le régime permanent. Ensuite on récupère l’eau qui sort de l’autre côté pendant une période donnée. Enfin, on mesure le débit. Le débit mesuré est de 1,8 g/min.

Le tableau VI-3 suivant présente une comparaison entre l’état initial (après saturation) et l’état final (après l’essai de perméabilité) de l’éprouvette :

État initial État final Poids (gr) Hauteur (mm) Diamètre (mm) haut milieu bas 671,1 119,1 59,7 59,6 59,6 676,3 119,3 59,7 59,7 59,6

Tableau VI-3 : Différentes caractéristiques à l’état initial saturé et l’état final après l’essai de perméabilité.

VIII.1.4.

Calcul de la perméabilité

On suppose que l'injection de l'eau dans l'échantillon en fonction du temps représente un écoulement permanent, et on admet que la compressibilité de l'eau est négligeable, la perméabilité est calculée par la relation suivante :

S

P

L

Q

k

.

.

.

∆

=

µ

(1)

Q

: débit traversant l'éprouvette (m3/s)

µ : viscosité dynamique de l'eau. µ = 1,005.10-3 Pa.s

L

: hauteur de l'éprouvette (m)

S

: section de l'éprouvette (m2)

P

∆

: différence de pression entre les deux extrémités de l'éprouvette (Pa).

En appliquant la formule précédente avec le débit que l’on a déterminé et une différence de pression de 0,3 MPa (3.105 Pa) on peut calculer la perméabilité de la craie à l'état initial, elle vaut environ 10-15 m2 .

VIII.1.4.a. Observations et remarques :

∗ Au cours de la saturation, l’éprouvette a absorbé une grande quantité d'eau sans pour autant changer de volume total.

∗ On remarque que les essais de saturation sont réalisés sans gonflement ni retrait.

VIII.1.4.b. Importance de la nature du fluide :

L’importance de la nature réactive du fluide sur le comportement différé a fait l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales sur différents types des roches.

Par exemple, au laboratoire, l’effet de la saumure sur la rhéologie de la halite monocristalline a été observé par Kleinhanns (Horseman, 1984).

Pour répondre à la question qui s’est posée à propos de l’importance du fluide que l’on utilise pour la saturation de l’éprouvette et pour l’injection, une autre expérience a été réalisée.

L’expérience consiste à refaire le même essai en respectant les mêmes procédures que l’essai précédent, le seul changement sera au niveau du fluide utilisé : on utilisera cette fois de

l’eau distillée, avec laquelle, d’une part on sature l’éprouvette, et d’autre part, on l’utilise comme fluide d’injection.

On applique 0,5 MPa de pression de confinement et 0,3 MPa de pression d’injection. Les résultats montrent que les débits enregistrés sont plus faibles que ceux mesurés lors du premier essai.

Le problème se résume dans le fait que, lors de l’injection, l’eau distillée est susceptible de réagir avec les composants de la craie, ce qui provoque une dégradation des particules au passage de l’eau dans les pores et par suite les vitesses seront de plus en plus ralenties, donc un débit et une perméabilité plus faibles.

On constate aussi une ressemblance sur le comportement entre les résultats sur la halite trouvés par Horseman et ceux de la craie sous un essai triaxial, en ce qui concerne la tendance vers la plasticité parfaite du comportement de l’éprouvette. Un tel comportement est visible sur l’exemple illustré par la courbe de contrainte-déformation présentée par la figure VI-5.

La courbe représente des cycles de charge décharge de la contrainte axiale en fonction de la déformation volumique au cours d’un essai triaxial sur une éprouvette de craie saturée à l’eau distillée. La pression de confinement est de 2 MPa.

Au départ, l’échantillon est non saturé, en recevant de l’eau distillée la craie réagi avec l’eau : dissolution du CaCO3 dans l’eau, dégradation des parois des pores au passage de l’eau

et écrasement de la porosité connecté, ce qui rendra la roche très molle et très plastique.

-0,03 -0,025 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 -5 -4 -3 -2 -1 0

Contrainte axiale (MPa)

Déformation volumique

Figure VI-5 : Courbe de contrainte axiale en fonction de la déformation volumique montrant un comportement plastique parfait sous 2 MPa de pression de confinement.

VIII.1.4.c. Conclusion

Cette craie présente une porosité de 34 % et une teneur en eau de 21 %. Nous avons réussi à déterminer sa perméabilité (environ 10-15 m2) par la méthode de débit. C’est donc cette méthode qui sera utilisée pour la suite des expériences.

Dans le document Etude expérimentale de l'effet de l'endommagement sur la permeabilité des roches (Page 140-145)