Experimental Measurements and Multi-Scale Modeling of the Relative Gas Permeability of a Caprock

Caractérisation expérimentale et modélisation multi-échelles de la perméabilité relative au gaz d’une roche de couverture

¹ LUNAM Université, GeM, UMR CNRS 6183, École Centrale Nantes, Université de Nantes, 44600 Saint-Nazaire – France
² École Centrale de Lille, Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR 8107), 59655 Villeneuve d’Ascq – France
³ Université Paris-Est, Laboratoire Navier (UMR 8205), CNRS, ENPC, IFSTTAR, 77455 Marne-la-Vallée – France
⁴ Storengy, Immeuble Djinn, 12 rue Raoul Nordling, 92270 Bois-Colombes – France
⁵ ENGIE E&P International, Faubourg de l'Arche, 1 place Samuel de Champlain, 92930 La Défense – France
e-mail: francois.bignonnet@univ-nantes.fr

^* Corresponding author

Abstract

An experimental characterisation of a low permeability caprock is first reported. Two different methods are compared to measure the porosity: water imbibition and weighting versus gas (Argon) pycnometry. Water measured porosities appear to systematically underestimate gas measured porosities. A capillary pressure curve is derived from successive equilibrium of samples at imposed relative humidities. The relative gas permeability is thoroughly measured on the same samples. Gas porosity and effective gas permeability measurements have been carried out under different confining pressures. All measured relative gas permeabilities lie on a master curve and present a low critical water saturation beyond which the effective gas permeability nearly vanishes. In an attempt to model this last feature, the salient properties of the microstructure are extracted from electron microscopy images to propose a micro-macro model of the relative gas permeability. The multi-scale modeling is performed within the framework of random media or so-called continuum micromechanics, including localised flow effects within interfaces. The self-consistent homogenisation scheme allows retrieval of a critical water saturation, whose value is governed by the shape of the elementary particles of the material and the localisation of water within the pore space.

Résumé

Une caractérisation expérimentale d’une roche carbonatée contenant de l’argile, peu perméable, est présentée dans un premier temps. Deux méthodes différentes de mesure de la porosité sont comparées: gravitaire par imbibition d’eau et pycnométrie à l’Argon. Les mesures de porosité à l’eau sous-estiment systématiquement celles au gaz. Une courbe de pression capillaire est construite à partir d’équilibres successifs d’échantillons avec des humidités relatives imposées. La perméabilité relative au gaz est mesurée sur les mêmes échantillons. Les mesures de perméabilité effective au gaz et de porosité au gaz sont conduites sous diverses pressions de confinement. Toutes les perméabilités relatives au gaz mesurées appartiennent à une même courbe maîtresse. Cette courbe présente une faible saturation en eau critique au delà de laquelle la perméabilité effective au gaz s’annule. Dans un second temps, une tentative de modélisation de cette propriété est proposée. Un modèle micro-macro est proposé à partir d’observation de la microstructure au microscope électronique. La modélisation multi-échelles est conduite dans le contexte de l’homogénéisation des milieux aléatoires ou micromécanique des milieux continus et prend en compte une localisation de l’écoulement dans des interfaces entre constituants. L’utilisation du schéma auto-cohérent permet d’exhiber une saturation en eau critique, dont la valeur dépend de la forme des particules élémentaires ainsi que de la répartition de l’eau au sein de l’espace poreux.