Test de traçage pour quantifier la distribution des temps de transfert

Personnel impliqués:Peter Kang (MIT, USA), Tanguy LE BORGNE (UR1), Olivier BOUR (UR1), Nicolas LAVENANT (CNRS), Rebecca HOCHREUTENER (CNRS), Christophe PETTON (CNRS), Vincent BOSCHERO (CNRS), Pascal Goderniaux (UR1), Maria KLEPIKOVA (CNRS)

Les écoulements dans les milieux fracturés sont connus pour être fortement hétérogènes, aussi bien à l'échelle de la fracture qu’à l'échelle du réseau de fractures. La coexistence de chemins d'écoulement rapide et de zones de stagnation, où le transport est dominée par la diffusion, implique une large distribution des temps de résidence.

Durant les mois de mai et juin, nous avons mis en œuvre une séries de tests de traçage sur le site de Ploemeur, dans le but de quantifier la distribution des temps de résidence dans l'aquifère. Nous observons que la forme des courbes de restitution du traceur (qui représente la distribution des temps de résidence d'un forage à l'autre) dépend fortement de la configuration des écoulements et de la fracture d'injection. En particulier, les queues de restitution (représentant les temps de résidence les plus longs) disparaissent dans la configuration "push pull" et lorsque le traceur est injecté dans une fracture avec un écoulement important (voir figure ci-dessous). Ceci indique que les temps de résidence les plus longs sont contrôlés par l'hétérogénéité des écoulements et non par la diffusion dans la matrice rocheuse.

Pour expliquer ces propriétés de transport nous avons utilisé un modèle de transport dans un réseau de liens ayant des conductivités hétérogènes. A l'aide de ce modèle, nous souhaitons mettre en évidence le lien entre la distribution des conductivités hydrauliques et leur corrélation spatiale avec la distribution des temps de résidence.

Figure.La ligne bleue est une courbe de restitution du traceur pour un test de traçage convergent avec injection dans une fracture d'écoulement faible. Les temps de résidence les plus long disparaissent dans la configuration push pull (ligne rouge). La ligne noire représente une courbe de restitution pour un test de traçage convergent avec injection dans une fracture d'écoulement fort.

 

Traçages thermiques

Personnels impliqués:Tanguy LE BORGNE (UR1), Olivier BOUR (UR1), Pascal Goderniaux (UR1), Tom READ (East Anglia), Victor Bense (East Anglia), Nicolas LAVENANT (CNRS), Rebecca HOCHREUTENER (CNRS), Christophe PETTON (CNRS), Vincent BOSCHERO (CNRS), Maria KLEPIKOVA (CNRS)

Articles publiés:

Read, T., Bour, O., Bense, V., Le Borgne, T., Goderniaux, P., Klepikova, M. V., Hochreutener, R., Lavenant, N., and Boschero, V. (2013), Characterizing groundwater flow and heat transport in fractured rock using fiber-optic distributed temperature sensing, Geophysical Research Letters, 40(10), 2055-2059.

L'utilisation simultanée de différents types de données permet de réduire l'incertitude associée à l'interprétation des tests de traçage. Des revues bibliographiques récentes  la température est un paramètre ayant un potentiel important pour donner de nouvelles contraintes sur l'hétérogénéité des écoulements (Anderson, 2005, Saar, 2011). De plus, les développements technologiques récents, tels que les mesures de températures spatialement distribuées par fibre optique, permettent de mesurer la température avec une bonne précision et une résolution spatiale fine.

Nous avons mis en œuvre une série de traçages thermiques sur le site de Ploemeur en collaboration avec V. Bense et T. Read (Université de East Anglia). Les traçages thermiques ont été effectués en injectant de manière continue de l'au à 50 degrés dans une fracture à 50 mètres de profondeur (voir figure ci-dessous). Les courbes de restitution mesurées dans le forage voisin montrent un décalage important entre l'arrivée du traceur thermique et celle du traceur fluorescent. Ce décalage est du au fait que le coefficient de diffusion thermique est environ trois ordres de grandeur plus grand que le coefficient de diffusion moléculaire. Ainsi, le couplage de traçages thermiques et de solutés permet de mesurer les propriétés de dispersion en variant le nombre de Peclet (rapport entre la vitesse d'écoulement et le coefficient de diffusion) sur des ordres de grandeur. Ceci permet d'obtenir de nouvelles contraintes pour la caractérisation des propriétés de transport.

Figure. à gauche: chaudière pour la préparation de l'eau chaude pour le traçage thermique, au centre: installation du packer pour l'injection du traceur, à droite : injection du traceur fluorescent

 

Figure. à gauche: Illustration du dispositif expérimental avec injection de l'eau chaude dans le forage à gauche et pompage dans le forage à droite, au centre : détection de l'eau chaude dans le forage pompé avec la fibre optique, à droite :  suivi de la température en fonction du temps dans les forages d'injection et de pompage.

Expériences de laboratoire pour caractériser la dispersion, le mélange et les réactions dans les milieux poreux saturés et insaturés

Collaborateurs:Joaquin Jimenez Martinez (CNRS), Pietro de Anna (CNRS), Yves Meheust (UR1), Hervé Tabuteau (CNRS), Regis Turuban (UR1), Tanguy Le Borgne (UR1)

Articles publiés:

De Anna, P., Jimenez-Martinez, J., Tabuteau, H., Turuban, R., Le Borgne, T., Derrien, M., Méheust, Y. (2013), Mixing and reaction kinetics in porous media: an experimental pore scale quantification, Environ. Sci. Technol.

Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental dévolu à l'étude du transport, du mélange et des réactions dans un milieu poreux bidimensionnel, à l'échelle du laboratoire. Pour ce faire, nous avons utilisé conjointement plusieurs techniques expérimentales bien connues dans d'autres domaines scientifiques. Le milieu poreux analogue est constitué de deux plaques de verre entre lesquelles on a placé des cylindres avec leurs axes perpendiculaires aux plaques de verre. Deux côtés opposés de la cellule servent d'entrée et de sortie pour le fluide qui s'écoule à travers le milieu poreux, les deux autres sont obturés. Les rayons et positions des cylindres sont contrôlés complètement : grâce à une technique de lithographie communément utilisée en microfluidique, nous reproduisons un schéma numérique de milieu poreux. Le principe de la technique est expliqué dans la légende de la Figure 1. Une caméra haute résolution permet de déterminer le champ de vitesse ainsi que les champs de concentration résolus spatialement. Les champs de vitesse sont obtenus par suivi de particules (traceurs passifs solides). Pour l'étude du transport de solutés non-réactifs, les champs de concentration sont obtenus en mesurant la lumière émise par un soluté fluorescent. Pour l'étude du transport réactif, nous avons recours à une réaction chemiluminescente : la mesure du nombre de photons émis fournit une  mesure de la concentration du produit de la réaction. Cet ensemble de mesures complet nous permet de caractériser le mélange partiel, les fonctions densité de probabilité des concentrations, et la cinétique des réactions, à l'échelle du pore.

Figure 1: A: Une vue schématique de la procédure de lithographie. Deux plaques de verre sont superposées et séparées à l'aide de séparateurs d'épaisseur a. On dispose le masque au-dessus, qui contient l'image en négatif du milieu poreux.  Puis l'espace entre les plaques est rempli d'une colle qui durcit sous l'effet d'une exposition aux UVs. Là où les photons issus de la source UV collimatée à 365nm passent à travers le masque, la colle polarisé et constitue un grain cylindrique solide. B: un exemple de géométrie porale telle qu'elle est imprimée sur le masque.


Figure 2: Une vue schématique du dispositif expérimental. De l'eau pure et une solution de fluorescéine sont injectées l'une après l'autre dans le milieu poreux, par aspiration d'une pompe à seringue placée en sortie de dispositif. Une lumière blanche homogène illumine la solution présente dans la porosité du milieu. Un filtre optique permet de n'enregistrer que la lumière de longueur d'onde 521nm sur le capteur CCD de la caméra. Des images sont prises à intervalles de temps constants. La caméra est pilotée par un ordinateur. 

Figure 3: Exemple du champ de concentration d'un soluté passif pendant son injection dans le milieu poreux hétérogène. Le champ de concentration a été normalisé par la plus grande concentration locale.