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Technical Report NTB 87-03
Design of a single borehole hydraulic test programme allowing for interpretation-based error
Les essais hydrauliques réalisés à l'aide d'obturateurs ou "packers" (appelés aussi "Packer-Tests"), dans les forages sont l'une des sources de données les plus importantes pour l'analyse de sûreté du stockage final des déchets radioactifs. Ces tests sont très onéreux et leur réalisation exige beaucoup de soin. Il est donc extrêmement important que les résultats soient les plus fiables et précis possible, malgré que la durée des essais soit réduite au minimum. D'éventuelles erreurs et imprécisions peuvent provenir de causes diverses, par exemple une exécution sur le terrain mal adaptée aux conditions hydrauliques ou l'emploi de méthodes d'interprétation inadéquates. Le présent rapport se propose d'étudier la précision des paramètres hydrauliques calculés lorsque les méthodes d'interprétation employées ont involontairement été mal choisies ou sont insatisfaisantes. Il indique les méthodes ou combinaisons de méthodes qui conduisent aux erreurs minimales et permet de proposer enfin des types de procédure propres à réduire les erreurs issues d'une interprétation inadéquate.
L'intérêt principal des tests hydrauliques réside dans le fait que la perméabilité hydraulique (K) peut être déterminée; la capacité d'emmagasinement spécifique (Ss) ne revêt par contre qu'un intérêt secondaire. Il existe trois sortes d'essais hydrauliques: les tests dits Slug, les tests dits Pulse et les essais de pompage avec écoulement constant ou pression constante. Ces tests ont diverses caractéristiques: les uns ont une durée qui dépend de la perméabilité et testent un volume rocheux déterminé par les conditions de test choisies, tandis que les autres permettent d'évaluer un volume rocheux variable en fonction de la durée choisie de la période de pompage. Il s'avère qu'il est toujours désirable de recourir, dans le même intervalle d'essais, à une combinaison de ces différents types de tests.
Sur la base d'exemples, ce rapport a permis de quantifier les erreurs d'interprétation par la méthode suivante: on a tout d'abord appliqué la méthode d'analyse la plus simple (écoulement cylindrique dans une roche homogène et isotrope) à chaque ensemble de données de terrain. On a ensuite évalué l'erreur en produisant des données synthétiques pour d'autres conditions d'écoulement (par exemple roche fissurée, anisotrope, hétérogène, pellicule de boue de forage collée sur la paroi du puits = cake) que l'on analyse ensuite à l'aide de la méthode simple. L'erreur peut alors être quantifiée en tant que différence entre la moyenne des valeurs ainsi déterminées et la valeur de base utilisée pour le calcul des données synthétiques. On obtient non seulement des données concernant les erreurs possibles, mais aussi des indications quant au domaine d'application des méthodes d'interprétations.
Les erreurs les plus fréquentes observées dans l'analyse des tests Slug/Pulse proviennent de la négligence de l'effet "skin" (effet du cake de boue dans ce cas), d'écoulement non-cylindrique (y compris le contournement des obturateurs) et de la fracturation. Il s'avère que l'effet du cake influence fortement la valeur K calculée, (i) si le rayon effectif (déterminé par les tests Pulse) est inférieur à 0.5 mm et l'épaisseur du cake supérieure à 10 mm, ou (ii) si le rapport K (roche)/K (cake) est supérieur à 100. Il s'est également avéré que les effets "skin" ne peuvent être identifiés que lorsque l'essai a été conçu de telle manière que la courbe de pression mesurée durant l'essai soit influencée aussi bien par le cake que par la roche.
Le fait que l'écoulement ne soit en réalité pas cylindrique ne conduit pas en général à des erreurs significatives. La fissuration peut conduire à des erreurs dans la valeur K de l'ordre d'un facteur de 2 et ceci toujours dans le sens d'une surestimation.
Les sources d'erreurs constatées lors des essais de pompage proviennent essentiellement de la capacité du puits ("weIl-bore storage"), du cake de la fissuration et de l'écoulement non-cylindrique. L'erreur résultant du cake dépend de la méthode d'analyse. Les méthodes quasi-stationnaires d'interprétation pour écoulement come celles de Hvorslev (1951) ou de Moye (1967) sont les plus sujettes aux erreurs, alors que les méthodes d'écoulement transitoire sont théoriquement fiables, dans la mesure où la période influencée par la capacité du puits est correctement déterminée et considérée. La fissuration et l'écoulement non-cylindrique, qui ont déjà été étudiés par d'autres auteurs (par exemple Braester et Thunvik, 1984), ne semblent causer que des erreurs insignifiantes.
On a également étudié si les essais de pompage fournissent de meilleurs résultats selon qu'ils sont réalisés avec débit constant ou pression constante. Il s'est avéré que la méthode d'analyse et d'interprétation la plus fiable se base sur un test combinant rabattement avec débit constant et remontée du niveau d'eau.
On propose de recourir en général à un type de test comprenant un test Pulse, suivi d'un essai de pompage avec écoulement constant. Les valeurs acquises devraient ainsi permettre de discerner des causes possibles d'erreurs et de réaliser une analyse optimale.
Le rapport considère aussi d'autres aspects de la planification des tests, par exemple pour des formations hétérogènes, telles que les lentilles calcaires dans une roche peu perméable. L'emploi de la "méthode du gradient" pour l'analyse des tests Slug/Pulse, ainsi que l'interaction entre exigences posées aux données et réalisation sur le terrain sont également brièvement discutés.