Gas Transport in Bentonite

Abstract

The gas permeability of the Spanish FEBEX bentonite compacted at dry densities of between 1.4 and 1.8 g/cm3 with high water contents was measured for different confining, injection and backpressures. The results were compared with results obtained in previous investigations for lower degrees of saturation. It was checked that gas permeability was greatly affected by dry density, decreasing about three orders of magnitude when it increased from 1.5 to 1.8 g/cm3 for similar water content. The increase of watercontent caused also a decrease in gas permeability. It was found that both gas permeability and the relative gas permeability were mainly related to the accessible porosity. These relationships could be fitted to potential expressions with exponents between 3 and 4, as well as the relationship between intrinsic permeability and void ratio.

For gas pressures below 1.2 MPa no effect of the injection or confining pressures on the value of permeability was detected. For a given confining pressure the permeability value decreased as the effective pressure increased, especially if the increase in effective pressure was due to a decrease in gas backpressure. It was checked that the Klinkenberg effect was not significant for this material in the range of pressures applied in the tests.The gas breakthrough pressure values in FEBEX saturated bentonite were determined for different dry densities. They increased clearly with dry density and were always higher than the swelling pressure of the bentonite. In high density samples gas flow tended to stop abruptly after breakthrough, whereas in lower density samples gas flow decreased gradually until a given pressure gradient was reached. The permeabilities computed after breakthrough (which usually did not stabilise) were inversely related to dry density.

This would indicate that, even if the flow took place predominantly through preferential pathways that sometimes closed quickly after breakthrough and others remained open allowing decreasing gas flow, the swelling capacity of the bentonite matrix (lower as the density is lower) had also an effect on path formation and consequently on permeability. After resaturation of the bentonite the same breakthrough pressures and permeabilities were found, pointing to the perfect healing of these preferential pathways. A sealed interface along the bentonite did not seem to affect the breakthrough pressure or permeability values.

Se ha medido la permeabilidad al gas de la bentonite FEBEX compactada con humedad elevada a densidades secas entre 1.4 y 1.8 g/cm3 para diferentes presiones de confinamiento, inyección y cola. Los resultados se han comparado con los de una investigación anterior realizada en muestras con grados de saturación más bajos. La permeabilidad depende en gran medida de la densidad, con la que disminuye, pero también de la humedad. Tanto la permeabilidad al gas como la permeabilidad intrínseca y la relativa se correlacionan fundamentalmente con la porosidad accesible mediante expresiones potenciales con exponentes entre 3 y 4.

Para presiones de gas inferiores a 1.2 MPa no se ha identificado influencia de la presión de inyección o la confinante en el valor de la permeabilidad. Se ha comprobado que el efecto Klinkenberg no es relevante para este material en el rango de presiones aplicadas. Se determinaron las presiones de paso (breakthrough) de muestras de bentonita saturada y compactada a diferentes densidades. Éstas aumentan claramente con la densidad seca y son mayores que la presión de hinchamiento correspondiente a esa densidad. En muestras de densidad alta el paso de gas tiende a parar abruptamente, mientras que en muestras de menor densidad una vez establecido el flujo disminuye lentamente hasta alcanzarse un determinado gradiente hidráulico. Las permeabilidades calculadas después del paso de gas considerando que el flujo fuera bifásico, están relacionadas inversamente con la densidad seca. Esto podría indicar que aunque el flujo se produzca predominantemente por caminos preferentes que unas veces se cierran rápidamente tras el paso de gas y otras permanecen abiertos permitiendo un flujo decreciente, la capacidad de hinchamiento de la matriz de bentonita también tiene influencia en la formación de trayectorias y consecuentemente en la permeabilidad. Tras resaturación de las muestras se han medido las mismas presiones de paso y permeabilidades, lo que indica que el sellado de estos hipotéticos cami xnos preferentes es efectivo. Incluso una junta entre bloques de bentonita queda sellada tras saturación de tal manera que no repercute en la presión necesaria para el paso de gas, que dependerá sólo de la densidad media del bloque.