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DIFUSIÓN, aplicado a formaciones arcillosas Rocas impermeables Transporte dominado por difusión Medio saturado.

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Presentación del tema: "DIFUSIÓN, aplicado a formaciones arcillosas Rocas impermeables Transporte dominado por difusión Medio saturado."— Transcripción de la presentación:

1 DIFUSIÓN, aplicado a formaciones arcillosas Rocas impermeables Transporte dominado por difusión Medio saturado

2 Horseman et al. (1996) Water, Gas and Solute Movement Through Argillaceous Media. NEA-OECD Report CC-96/1.

3 1D J: Flujo de soluto (mol/m 2 roca/s) D e (m 2 /s): Coef. efectivo de difusión c: Concentración (mol/m 3 solución) x: distancia (m) : porosidad (-) Si y D e son constantes D p (m 2 /s): Coef. de difusión de poro

4 Para solutos que se adsorben (adsorción lineal, K D ) s: Concentración adsorbida (mol/kg_sólido) K D : Coeficiente de distribución (m 3 /kg) d : Densidad seca ( kg_sólido/m 3 _roca ) Si, d, K D y D e son constantes: D a (m 2 /s): Coef de difusión aparente : Factor de capacidad (-) R: Factor de retardo (-)

5 POROSIDAD Pearson F. J. (1999) What is the porosity of a mudrock? In: Muds and Mudstones: Physical and Fluid Flow Properties. Geological Society, London, Special Publications 158, Porosidad física o total tot : Incluye los poros aislados Porosidad conectada: Medida normalmente a partir del contenido de agua ( wc ) Contenido de agua sat : Dens. saturada ( kg_ sólido+fluido /m 3 _ roca )

6 Porosidad accesible para advección adv : No incluye poros aislados o sin salida. v D : Velocidad Darcy (m 3 fluido/m 2 roca/s) v: Velocidad lineal del fluido (m/s) En la literatura se usa también el término porosidad efectiva Porosidad accesible para difusión dif Conservativo No conservativo

7 + + Charge (+) EXCLUSIÓN ANIÓNICA clay Arcillas compactas:

8 ANISOTROPÍA: D e (||) > D e ( )

9

10 diffusion in OPA is anisotropic rock capacity (porosity) in OPA is isotropic isotropic diffusion Anisotropía - Opalinus Clay

11 EXPERIMENTO THROUGH-DIFFUSION Se utiliza para medir el coef. efectivo de difusión D e y la porosidad accesible dif para especies conservativas o que se adsorban sólo débilmente. x=0x=L C(0,t)=C 0 C(L,t)=0 J Reservorio 1Reservorio 2Muestra

12 Van Loon L. R., Soler J. M. y Bradbury M. H. (2003) Diffusion of HTO, 36 Cl - and 125 I - in Opalinus Clay samples from Mont Terri. Effect of confining pressure. Jour. Cont. Hydrol. 61, Diseño experimental

13 Resultados Actividad (Bq) o Núm. de moles o Gramos Bq/m 2 /s o mol/m 2 /s o g/m 2 /s

14 Solución analítica Jakob et al. (1999) Diffusion and Sorption on Hardened Cement Pastes – Experiments and Modelling Results. PSI Bericht Nr (p.94-97, ). Se resuelve combinado con x=0x=L C(0,t)=C 0 C(L,t)=0 J Reservorio 1Reservorio 2Muestra

15 Solución Estado estacionario (t ) S: Sección transversal de la muestra (m 2 ) V low : Volumen del reservorio de salida (m 3 )

16 Estado estacionario La pendiente de la asíntota es proporcional a D e El corte con el eje de ordenadas (t=0) es proporcional al factor de capacidad (porosidad para especies conservativas)

17 Opalinus Clay Benken Mont Terri EXPERIMENTO EN CAMPO

18 Opalinus Clay: - Laboratorio subterráneo de Mont Terri (1) -

19 Opalinus Clay: - Laboratorio Subterráneo de Mont Terri (2) - DI-Niche

20 MineralWeight percent Calcite17 ± 11 Dolomite/ankerite0.6 ± 0.5 Siderite5 ± 3 Quartz20 ± 5 Feldspar3 ± 1 Pyrite0.8 ± 0.4 C org 0.6 ± 0.2 Phyllosilicates - illite - illite/smectite - kaolinite - chlorite 53 ± ± 6 14 ± 4 17 ±6 5 ± 2 Composición de Opalinus Clay Chemical-Physical properties Density (bulk, sat.): 2500 kg. m -3 Porosity: 0.15 Pore water: NaCl M CEC: 100 meq. kg -1 pH: E h : -140 mV to -240 mV (SHE)

21 Experimento in situ: diseño experimental DI-A

22 Experimento in situ: perfiles de trazadores Concentration profile overcoring

23 Drilling of BDI-A1Surface equipment Experimental site

24 Packer removal Overcoring

25 Drillcore documentation Subcoring, sampling

26 Experimento in situ: Modelo de diferencias finitas 2D. Concepto: Difusión a lo largo de los planos de estratificación c= concentration in solution [mol. m -3 ] t = time [s] D e = effective diffusion coefficient [m 2. s -1 ] c tot = total concentration of tracer = diffusion accessible porosity d = bulk dry density [kg. m -3 ] s= sorbed tracer conc. [mol. kg -1 ] x y c init =c 0 Diffusion domain (bedding plane) c tot,init =c back El ajuste simultáneo de (a) los perfiles y (b) la evolución del trazador en el circuito de inyección proporciona un valor único de (De, )

27 Resultados exp. in situ: HTO s=0 (sin adsorción) Field study: D e = 5.4 x m 2. s -1 = 0.18 (porosity) Lab. study: D e = 5.4 x m 2. s -1 = 0.17 (porosity)

28 Resultados exp. in situ: I - s=0 (sin adsorción) Field study: D e = 1.3 x m 2. s -1 = 0.09 (porosity) Lab. study: D e = 1.6 x m 2. s -1 = 0.08 (porosity) full water content 0.56 x water content

29 Field study: D e = 7.2 x m 2. s -1 = 0.62 ( = + d K d ) Lab. study: D e = 7.2 x m 2. s -1 = 0.62 ( = + d K d ) Resultados exp. in situ: 22 Na + s=K d c (adsorción lineal)

30 Resultados exp. in situ: Cs + s = a c b (adsorción no lineal) Field study: D e = 3.0 x m 2. s -1 s = c 0.53 Lab. study: s = c 0.53

31 Resultados del exp. in situ: D e (||), Resumen Muy buena correspondencia entre laboratorio y campo

32 ANÁLOGO NATURAL: MONT TERRI Rübel et al. (2002) Geochim. Cosmochim. Acta 66, Distribución de 4 He a través de la formación ( a la estratificación) Se asume estado estacionario entre su formación radiogénica y su transporte por difusión fuera de la formación D a = x m 2 /s

33 Aplicación del valor obtenido de D a a la composición isotópica del agua ( O D en la formación Modelo 1D para D

34 Análogo natural (Mont Terri, H 2 O, escala m) D a = x m 2 /s wc = 0.12 – 0.19 D e = D a = 2.6 – 9.1 x m 2 /s Experimentos through-diffusion (HTO,, escala m) D e = x m 2 /s


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