DIFUSIÓN, aplicado a formaciones arcillosas

Presentación del tema: "DIFUSIÓN, aplicado a formaciones arcillosas"— 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 J: Flujo de soluto (mol/m2roca/s)
De(m2/s): Coef. efectivo de difusión c: Concentración (mol/m3solución) x: distancia (m) 1D f: porosidad (-) Si f y De son constantes Dp (m2/s): Coef. de difusión de poro

4 Para solutos que se adsorben (adsorción lineal, KD)
s: Concentración adsorbida (mol/kg_sólido) KD: Coeficiente de distribución (m3/kg) rd: Densidad seca (kg_sólido/m3_roca) Si f, rd, KD y De son constantes: Da (m2/s): Coef de difusión aparente a: Factor de capacidad (-) R: Factor de retardo (-)

5 Porosidad física o total ftot: Incluye los poros aislados
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, 9-21. Porosidad física o total ftot: Incluye los poros aislados Porosidad conectada: Medida normalmente a partir del contenido de agua (fwc) Contenido de agua rsat: Dens. saturada (kg_sólido+fluido/m3_roca)

6 Porosidad accesible para advección fadv: No incluye poros aislados
o sin salida. vD: Velocidad Darcy (m3fluido/m2roca/s) v: Velocidad lineal del fluido (m/s) En la literatura se usa también el término “porosidad efectiva” Porosidad accesible para difusión fdif Conservativo No conservativo

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

8 ANISOTROPÍA: De(||) > De()

9 -

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

11 EXPERIMENTO THROUGH-DIFFUSION
Se utiliza para medir el coef. efectivo de difusión De y la porosidad accesible fdif para especies conservativas o que se adsorban sólo débilmente. Reservorio 1 Muestra Reservorio 2 C(0,t)=C0 J C(L,t)=0 x=0 x=L

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

13 Resultados Actividad (Bq) o Núm. de moles o Gramos
Bq/m2/s o mol/m2/s o g/m2/s

14 Solución analítica Se resuelve x=0 x=L C(0,t)=C0 C(L,t)=0 J
Jakob et al. (1999) Diffusion and Sorption on Hardened Cement Pastes – Experiments and Modelling Results. PSI Bericht Nr (p.94-97, ). Se resuelve x=0 x=L C(0,t)=C0 C(L,t)=0 J Reservorio 1 Reservorio 2 Muestra combinado con

15 Estado estacionario (t)
Solución Estado estacionario (t) S: Sección transversal de la muestra (m2) Vlow: Volumen del reservorio de salida (m3)

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

17 EXPERIMENTO EN CAMPO Opalinus Clay Benken Mont Terri

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

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

20 Composición de Opalinus Clay
Mineral Weight percent Calcite 17 ± 11 Dolomite/ankerite 0.6 ± 0.5 Siderite 5 ± 3 Quartz 20 ± 5 Feldspar 3 ± 1 Pyrite 0.8 ± 0.4 Corg 0.6 ± 0.2 Phyllosilicates - illite - illite/smectite - kaolinite - chlorite 53 ± 11 18 ± 6 14 ± 4 17 ±6 5 ± 2 Chemical-Physical properties Density (bulk, sat.): 2500 kg.m-3 Porosity: 0.15 Pore water: NaCl M CEC: 100 meq.kg-1 pH: 7 - 8 Eh: -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-A1 Surface equipment Experimental site

24 Packer removal Overcoring

25 Subcoring, sampling Drillcore documentation

26 Experimento in situ: Modelo de diferencias finitas 2D
Experimento in situ: Modelo de diferencias finitas 2D. Concepto: Difusión a lo largo de los planos de estratificación x y cinit=c0 Diffusion domain (bedding plane) ctot,init=cback c = concentration in solution [mol.m-3] t = time [s] De = effective diffusion coefficient [m2.s-1] ctot = total concentration of tracer f = diffusion accessible porosity rd = bulk dry density [kg.m-3] s = sorbed tracer conc. [mol.kg-1] El ajuste simultáneo de (a) los perfiles y (b) la evolución del trazador en el circuito de inyección proporciona un valor único de (De, a)

27 Resultados exp. in situ: HTO s=0 (sin adsorción)
Field study: De = 5.4 x m2.s-1  = 0.18 (porosity) Lab. study: De = 5.4 x m2.s-1  = 0.17 (porosity)

28 Resultados exp. in situ: I- s=0 (sin adsorción)
0.56 x water content full water content Field study: De = 1.3 x m2.s-1  = 0.09 (porosity) Lab. study: De = 1.6 x m2.s-1  = 0.08 (porosity)

29 Resultados exp. in situ: 22Na+ s=Kdc (adsorción lineal)
Field study: De = 7.2 x m2.s-1  = (a = f + rdKd) Lab. study: De = 7.2 x m2.s-1  = (a = f + rdKd)

30 Resultados exp. in situ: Cs+ s = a cb
(adsorción no lineal) Field study: De = 3.0 x m2.s-1 s = c 0.53 Lab. study: s = c 0.53

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

32 ANÁLOGO NATURAL: MONT TERRI
Rübel et al. (2002) Geochim. Cosmochim. Acta 66, Distribución de 4He 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 Da = 3.51.3 x m2/s

33 Aplicación del valor obtenido de Da a la composición isotópica
del agua (d18O, dD) en la formación Modelo 1D para dD

34 Análogo natural (Mont Terri, H2O, escala 10+2 m)
Da = 3.51.3 x m2/s fwc = 0.12 – 0.19 De = f Da = 2.6 – 9.1 x m2/s Experimentos through-diffusion (HTO, , escala 10-2 m) De = 1.4 0.1 x m2/s