Cicatrisation et colmatage de l’argilite de Bure

Healing and clogging of Bure claystone

• Auteur / Autrice : Chuanrui Wang
• Direction : Catherine A. Davy, Frédéric Skoczylas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS
• Jury : Président / Présidente : Jianfu Shao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Levasseur, Séverine Levasseur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albert Giraud, Ghabezloo Siavash

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz -- Absorption et adsorption

Dépôts de déchets dangereux -- Restauration

Perméabilité

Porosité

Mécanique

Argilite

Mots clés libres

Argilite COx

Gonflement

Poromécanique

Cicatrisation

COx claystone

Swelling

Poro-Mechanics

Self-Sealing

Résumé

Dans le cadre du stockage géologique des déchets nucléaires radioactifs en France, l'argilite du bassin de Bure (formation du Callovo-Oxfordien (COx)) est considérée comme la roche hôte. Ce matériau présente une importante capacité d'auto-étanchéité lors de la resaturation. Cependant, la contribution du gonflement des minéraux argileux à la cicatrisation n'est pas encore complètement comprise. Dans cette thèse, six carottes d'argilite COx ont été étudiées. La relation entre les minéral compositions et les propriétés des pores a été analysée par la diffraction quantitative des rayons (XRD), la capacité d'échange de cations (CEC) et la mesure de la sorption d'azote. Les résultats ont démontré que la distribution et la localisation de smectite affectent la structure des pores à l'échelle m et nanométrique, ce qui est fortement associé à la capacité de gonflement du matériau. Les tests de gonflement sur les échantillons centimétriques ont mesuré directement les contraintes de gonflement pendant la resaturation, ce qui prouve que l'expansion d’arigilite à l'échelle macrotrique est affectée par l'effet combiné des mécanismes de gonflement à multi-échelles. Des études poromécaniques ont été réalisées sur les échantillons saturés. Malgré le matériau est fortement isotrope transversalement, le coefficient de Biot est isotrope et presque 1. En utilisant une cellule triaxiale modifiée, la cicatrisation des argilites endommagées a été étudié dans des conditions de "faible confinement". Les résultats ont indiqué que le gonflement des minéraux argileux entraîne une diminution significative de la perméabilité à l'eau. Après la cicatrisation, la pression de percée du gaz (GBP) est du même ordre de grandeur que la pression capillaire équivalente des fissures résiduelles, ce qui indique que la migration du gaz dans les argilite scellé se produirait principalement à travers la fissure scellée résiduelle et serait contrôlée par les effets capillaires.

In the context of geological storage of radioactive nuclear waste in France, claystone at the Bure basin (formation du Callovo-Oxfordien (COx)) is regarded as the ideal host rock. This material exhibits significant self-sealing capacity during resaturation. However, the contribution of clay mineral swelling to the material sealing efficiency is still not completely understood. In this thesis, six COx claystone cores from different geological locations were studied. The relationship between mineralogical compositions and pore properties was analyzed by quantitative X-ray diffraction (XRD), cations exchanged capacity (CEC) and nitrogen sorption measurement. Results demonstrated that the distribution and location of smectite particles affect the pore structure at m-scale and nano-scale, which is highly associated with the material swelling capacity. Swelling tests on the centimetric samples directly measured swelling strains during resaturation, giving evidence for the macro scale expansion of COx is affected by the combined effect of multi-scale swelling mechanisms. Poro-mechanical studies were carried out on the saturated samples. It is found that even if the material is strongly transversely isotropic, the Biot’s coefficient is consistently isotropic and almost equal to 1. By using a modified triaxial cell, the self-sealing of damaged COx claystone was studied under “low-confinement” conditions. Experimental data indicated that clay mineral swelling results in a significant decrease in water permeability. After sealing, the gas breakthrough pressure (GBP) of the resealed material is in the same order of magnitude as the equivalent capillary pressure of residual cracks, indicating that the gas migration in the sealed COx would mainly occur through the residual sealed-crack and is controlled by capillary phenomena.