Détection et migration des gaz dans les milieux géologiques : Expériences et simulations au Laboratoire Naturel de Roselend - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Detection and migration of gases in geological media: Experiments and numerical simulations at the Roselend Natural Laboratory

Détection et migration des gaz dans les milieux géologiques : Expériences et simulations au Laboratoire Naturel de Roselend

Résumé

Gas migration in rocks results from natural and artificial processes. Understanding gas migration matters for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT), to improve the detection of underground nuclear explosions by their radioactive gases. This work concerns many other fields in Earth Sciences, for fundamental as well as applied science. Issues in improving the detection and the understanding of gas migration in geological media are the following. What are the driving forces of gas migration from depth to the surface? How much of the gases produced at depth do arrive at the surface? Does this migration lead to temporal delays and dilution between production and breakthrough at the surface? To answer these questions, this thesis is dedicated to the identification of gas transport mechanisms in fractured rocks, from both field experiments and numerical simulations. The Roselend Natural Laboratory (French Alps) is a unique facility for studying gas transport in the unsaturated zone at the field scale, representative of natural processes. Parameters and external forcings have been determined. A tunnel and an isolated chamber, at 55 m depth, as well as boreholes at depth and at the surface, allow to monitor gases that are present in the rocks. Pneumatic properties of the rocks, permeability and porosity, were determined at scales ranging from 1 to 55 m, from both pneumatic injection tests and pressure monitoring as well as from computational studies of fluid flow and transport in porous media. Inverse modeling was used to quantify the associated uncertainties. The results underline the strong spatial heterogeneity of fractured media. The natural dynamics of three gases, CO2, SF6 and 222Rn, was monitored continuously for more than one year. The results, interpreted with numerical simulations, determined that the processes controlling the natural dynamics, or baseline, of gases are atmospheric pressure fluctuations and water movements. Such water movements also explain the gas anomalies observed in the tunnel. Two tracing experiments were also conducted between the isolated chamber at the end of the tunnel, and the surface. SF6 was injected first with a 167 mbar overpressure, followed by $^3He$, one year later, with only 20 mbar overpressure. Monitoring of tracer gases at the surface was conducted for more than one year after the injections. Rapid tracers breakthrough (10 to 50 h) was observed at the surface, with a strong dilution of 10^4 up to 10^6. This is explained by gas advection in a limited number of fractures, in response to the gas overpressure occurring at the injection point, even if it is small. In the months following the injection, tracers migrate more slowly in the whole fracture network, in response to barometric pumping. These transport mechanisms, identified and quantified, are now to be included in a comprehensive model taking into account the interactions of gases with the geosphere in order to improve the detection of underground nuclear explosions by their radioactive gases.
La migration des gaz dans les roches résulte de processus naturels et artificiels. Sa compréhension intéresse en particulier le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (Tice), afin d'améliorer la détection des explosions nucléaires souterraines par la mesure des gaz radioactifs. Ces travaux s'inscrivent également dans de nombreux domaines des Sciences de la Terre, tant fondamentaux qu'appliqués. Les principaux enjeux de l'amélioration de la détection et de la compréhension de la migration des gaz dans les milieux géologiques sont les suivants: quels sont les moteurs de la migration des gaz d'une source en profondeur vers la surface? Quelle proportion des gaz produits en profondeur arrive-t-elle en surface? Cette migration entraîne-t-elle des délais temporels entre la production et l'arrivée en surface? Pour répondre à ces questions, nous nous sommes attachés dans cette thèse à identifier les mécanismes de transport des gaz dans les roches fracturées, à partir d'expériences en site naturel et de simulations numériques. Le Laboratoire Naturel de Roselend (Savoie) est un cadre privilégié pour l'étude de la migration des gaz en zone non saturée à une échelle représentative des processus naturels. Les paramètres du milieu géologique ainsi que les forçages extérieurs y ont été déterminés. Un tunnel et une chambre isolée, à 55 m de profondeur, ainsi que de nombreux forages, en profondeur et en surface, permettent de mesurer les gaz présents au cœur de la roche. Les propriétés pneumatiques du milieu, perméabilité et porosité, ont été déterminées à des échelles allant de 1 m à 55 m à partir de tests d'injection pneumatique et de mesures des fluctuations de pression, ainsi que de modélisations numériques de l'écoulement des fluides dans les milieux poreux. Une approche de modèle inverse a permis en outre d'estimer les incertitudes associées. Les résultats soulignent la forte hétérogénéité spatiale du milieu fracturé. La dynamique naturelle de trois gaz, CO2, SF6 et 222Rn, a été mesurée en continu pendant plus d'un an. Les résultats, interprétés à l'aide de modélisations numériques, ont mis en évidence que les mécanismes qui contrôlent l'évolution naturelle, ou ligne de base, des gaz sont les fluctuations de la pression atmosphérique et les mouvements d'eau. Ces mouvements d'eau sont également à l'origine des anomalies de concentration en gaz observées dans le tunnel. Deux expériences de traçage ont été réalisées à l'échelle de 55 m entre la chambre isolée et un forage horizontal situé en surface. Du SF6 a d'abord été injecté avec une surpression de 167 mbar, puis de l'hélium-3 un an plus tard avec une surpression de seulement 20 mbar. Le suivi des traceurs en surface a été maintenu pendant plus d'un an après leurs injections. Une percée rapide des traceurs (de 10 à 50 h) a été observée en surface, mais avec une dilution forte, d'un facteur 10^4 à 10^6. Elle est expliquée par l'advection des gaz dans un petit nombre de fractures, sous l'effet des surpressions même modestes qui accompagnent l'injection. Dans les mois qui suivent l'injection, les traceurs migrent plus lentement dans l'ensemble du réseau de fractures, sous l'effet du pompage barométrique. Ces mécanismes de transport, identifiés et quantifiés, sont à prendre en compte dans une chaîne d'analyse complète prenant en compte les interactions des gaz avec la géosphère afin d'améliorer la détection des explosions nucléaires souterraines par les gaz radioactifs.
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Dates et versions

tel-00965028 , version 1 (24-03-2014)

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  • HAL Id : tel-00965028 , version 1

Citer

Sophie Guillon. Détection et migration des gaz dans les milieux géologiques : Expériences et simulations au Laboratoire Naturel de Roselend. Sciences de la Terre. Institut de physique du globe de paris - IPGP, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00965028⟩
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