Characterisation of Gas Transport Properties of the Opalinus Clay, a Potential Host Rock Formation for Radioactive Waste Disposal
Caractérisation des propriétés des argiles dOpalinus (roche d'accueil potentielle pour un stockage de déchets radioactifs) relatives au transport des gaz
1
NAGRA, National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste
2
British Geological Survey
3
Universitity of Bern
Corresponding author: marschall@nagra.ch
The Opalinus Clay in Northern Switzerland has been identified as a potential host rock formation for the disposal of radioactive waste. Comprehensive understanding of gas transport processes through this low-permeability formation forms a key issue in the assessment of repository performance. Field investigations and laboratory experiments suggest an intrinsic permeability of the Opalinus Clay in the order of 10-20 to 10-21 m2 and a moderate anisotropy ratio < 10. Porosity depends on clay content and burial depth; values of ~0.12 are reported for the region of interest. Porosimetry indicates that about 10-30% of voids can be classed as macropores, corresponding to an equivalent pore radius > 25 nm. The determined entry pressures are in the range of 0.4-10 MPa and exhibit a marked dependence on intrinsic permeability. Both in situ gas tests and gas permeameter tests on drillcores demonstrate that gas transport through the rock is accompanied by porewater displacement, suggesting that classical flow concepts of immiscible displacement in porous media can be applied when the gas entry pressure (i.e. capillary threshold pressure) is less than the minimum principal stress acting within the rock. Essentially, the pore space accessible to gas flow is restricted to the network of connected macropores, which implies a very low degree of desaturation of the rock during the gas imbibition process. At elevated gas pressures (i.e. when gas pressure approaches the level of total stress that acts on the rock body), evidence was seen for dilatancy controlled gas transport mechanisms. Further field experiments were aimed at creating extended tensile fractures with high fracture transmissivity (hydro- or gasfracs). The test results lead to the conclusion that gas fracturing can be largely ruled out as a risk for post-closure repository performance.
Résumé
Les argiles d'Opalinus, au nord de la Suisse, sont envisagées pour l'implantation d'un site de stockage pour déchets radioactifs en formation géologique profonde. La compréhension approfondie des processus de transport des gaz au travers de cette roche peu perméable est un élément clé dans l'évaluation de l'aptitude du site au stockage. Selon les données fournies par les campagnes de reconnaissance géologique et les expériences en laboratoire, la perméabilité intrinsèque d'argiles d'Opalinus serait de l'ordre de 10-20 à 10-21 m2, pour un rapport d'anisotropie modéré (< 10). La porosité dépend de la composition de l'argile et de la profondeur d'enfouissement ; pour la zone envisagée, on a mesuré des valeurs de l'ordre de ~0,12. Selon les données porosimétriques, on peut classer 10-30% des vides dans la catégorie des macropores, avec un diamètre équivalent > 25 nm. Les pressions d'entrée déterminées sont de l'ordre de 0.4-10 MPa et dépendent largement de la perméabilité intrinsèque. Les tests, tant in situ qu'en laboratoire (essais par perméamètre au gaz sur les carottes de forage), montrent un fort couplage entre la migration de gaz à travers la roche et les déplacements de l'eau interstitielle. Il semblerait donc possible d'appliquer les modèles de déplacement immiscible de fluides dans les milieux poreux, et ceci lorsque la pression d'entrée du gaz (c'est-à-dire le seuil de pression capillaire) est inférieure au niveau minimal de contrainte au sein de la roche. Il faut noter que la circulation de gaz est limitée au réseau des macropores connectés entre eux, d'où un très faible degré de désaturation de la roche au cours du processus d'imbibition du gaz. Lorsque que la pression du gaz est élevée (c'est-à-dire lorsqu'elle approche le niveau de la contrainte maximale exercée sur la roche), on a pu observer des mécanismes de transport induits par effet de dilatation. Par le biais d'autres expériences de terrain, on a tenté de produire des fractures de rupture de grande extension et à haute transmissivité (hydrofracs, gasfracs). Les résultats de ces tests permettent de conclure que la fracturation due aux gaz peut, dans une large mesure, être exclue des risques inhérents au comportement d'un dépôt après fermeture.
© IFP, 2005