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Theses Year : 2022

Study of fresh water production from clay formations in foothills zones

Étude de la production d’eau douce à partir de formations argileuses dans les zones de foothills

Jessica Strydom

Abstract

With progressive compaction of the sediments, mineral and organic matter transformation are known to produce water that is less saline than the original pore water, which would have been similar in composition to ocean water. This freshening has been linked to over pressure generation as a consequence of the material transformation. The aim of our experimental investigation/work was to simulate the diagenetic processes of fluid and heat flow, and mechanical compaction that are involved in the freshening of formation water from a saturated clay sample. Our objective was to use the general water chemistry, as well as Cloride and Bromide isotopic tracers, to track the evolution of freshwater production with time.The large-scale oedometric compression cell that was developed for the purpose of this study is novel and rare due to the high fluid pressures, mechanical stresses and temperatures that could be applied on the clay samples during the experiments, and the multi-disciplinary collaboration between well-reputed laboratories in order to contribute to a functional understanding of Cl and Br behaviour in geological processes. There are no similar multi-disciplinary large-scale experiments in the literature.We did three compaction experiments that lasted up to around 200 days each during which we continuously recorded axial stress, pore fluid pressure, axial deformation, and the volumes of fluids in injection and collector pumps. The experiments constituted first saturating the clay with ocean water in the large oedomertic cell, and then compacting it in either 5 or 10 steps of increasing vertical stress and temperature up to 150 MPa and 150°C, while maintaining the pore fluid pressure as close as possible to 45 MPa. Continuously following the axial deformation, and monitoring the composition of the input and expelled water allowed for a water and chemical mass balance of the system. We could therefore calculate what the remaining pore water composition should be, with each consecutive compaction step. Furthermore, the state of the art modelling software, SURP, developed by the BRGM, helped us to understand what proportion of that expelled water, was the result of clay mineral dehydration. True mineral transformation was not observed. Neither through the modelling exercise, nor through XRD mineral characterization.We found that the chemistry and isotope behavior is considerably different between swelling clay (MX80 containing 75 wt% smectite) and non-swelling clay (Sainte Suzanne marl containing 61 wt% illite & 7 wt% kaolinite). In our study we observed a general decrease of the cation and anion concentrations in the expelled water for swelling clay while its concentration slightly increased in the remaining pore fluid. This was not the case for non-swelling clay. Then, more freshening of the expelled water occurred during the compaction MX80 experiment at higher temperature.We also observed that as Br is much more effectively filtered by the clays than chlorine due to its much lower natural occurrence, this translates to a larger range of isotopic fractionation for Br (δ81Br value of the expelled water from 0.9 ‰ up to 1.5‰) than for Cl (δ37Cl value of the expelled water from -0.1‰ down to -0.5‰), in all three compaction experiments.It is supposed that significant retention of Cl and Br in the pore water of the compacted MX80 is indicative of ultrafiltration and that the surface chemistry of the clay in combination with decreasing porosity result in re-equilibration of compressed and overlapping diffuse double layers which in part, drive the anion and isotope evolution. δ37Cl and δ81Br are promising tracers to better interpret the origin and evolution of formation waters in sedimentary basins.
Avec la compaction progressive des sédiments, la transformation des matières minérales et organiques est connue pour produire une eau moins salée que l'eau interstitielle d'origine, dont la composition aurait été similaire à celle de l'eau de mer. Le but de notre étude expérimentale était de simuler les processus diagénétique du flux de fluide, de la chaleur et de la compaction mécanique qui est impliqué dans le rafraîchissement de l'eau de formation à partir d'un échantillon d'argile saturé. Notre objectif était d'utiliser la chimie générale de l'eau, ainsi que les traceurs isotopiques Cloride et Bromide, pour suivre l'évolution de la production d'eau douce à travers le temps. La cellule de compression oedométrique à grande échelle qui a été développée pour les besoins de cette étude est nouvelle et rare en raison des pressions élevées de fluide, des contraintes mécaniques et des températures qui ont pu être appliquées aux échantillons d'argile durant les expériences, ainsi que de la collaboration multidisciplinaire entre des laboratoires réputés afin de contribuer à une compréhension fonctionnelle du comportement du Cl et du Br dans les processus géologiques. Il n'existe pas d'expérience multidisciplinaire similaire à grande échelle dans la littérature. Nous avons réalisé trois expériences de compactage qui ont durées jusqu'à environ 200 jours chacune, pendant lesquelles nous avons enregistré en continu la contrainte axiale (σ1), la pression du fluide interstitiel (Pi), la déformation axiale et les volumes de fluide dans les pompes d'injection et de collecte. Les expériences consistaient d'abord à saturer l'argile avec de l'eau de mer dans la grande cellule oedomérienne, puis à la compacter en 5 ou 10 étapes d'augmentation de la contrainte verticale jusqu'à 150 MPa et de l'augmentation de la température jusqu'à 150°C, tout en maintenant la pression du fluide interstitiel aussi proche que possible de 45 MPa. Le suivi continu de la déformation axiale et la surveillance de la composition de l'eau entrée et expulsée ont permis d'établir un bilan massique hydrique et chimique du système. Nous avons donc pu calculer quelle devrait être la composition de l'eau interstitielle restante, à chaque étape de compactage consécutive. De plus, le logiciel de modélisation SURP, développé par le BRGM, nous a permis de comprendre quelle proportion de cette eau expulsée était le résultat de la déshydratation des minéraux argileux. Une véritable transformation minérale n'a pas été observée. Ni par l'exercice de modélisation, ni par la caractérisation minérale. Nous avons constaté que la chimie et le comportement isotopique sont considérablement différents entre une argile gonflante (MX80 contenant 71% de smectite) et une argile non gonflante (marne de Sainte Suzanne contenant 61% d'illite). Dans notre étude, pour l'argile gonflante nous avons observé une diminution générale des concentrations en cations et anions dans l'eau expulsée, tandis que sa concentration augmentait légèrement dans le fluide interstitiel restant. Ce n'était pas le cas pour l'argile non gonflante. Ensuite, un rafraîchissement plus important de l'eau expulsée s'est produit pendant l'expérience de compactage à une température plus élevée. Nous avons également observé que comme Br est plus efficacement filtré par les argiles que le Cl en raison de son occurrence naturelle beaucoup plus faible, cela se traduit par une plus grande gamme de fractionnement isotopique pour Br (valeur δ81Br de l'eau expulsée de 0,9 ‰ jusqu'à 1,5‰) que pour Cl (valeur δ37Cl de l'eau expulsée de -0,1‰ jusqu'à -0,5‰), et ceci dans les trois expériences de compactage. Il est supposé que la rétention significative de Cl et Br dans l'eau interstitielle de la MX80 compactée indique une ultrafiltration δ37Cl et δ81Br sont des traceurs prometteurs pour mieux interpréter l'origine et l'évolution des eaux de formation dans les bassins sédimentaires.
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Dates and versions

tel-03959914 , version 1 (27-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03959914 , version 1

Cite

Jessica Strydom. Study of fresh water production from clay formations in foothills zones. Geochemistry. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0114⟩. ⟨tel-03959914⟩
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