“Tepid” Geysers above salt caverns

Pierre Bérest; Benoît Brouard; Vassily Zakharov

doi:10.1016/j.crme.2018.03.004

“Tepid” Geysers above salt caverns
[Geysers tièdes au-dessus des cavités salines]

Pierre Bérest ¹ ; Benoît Brouard ² ; Vassily Zakharov ²

¹ Laboratoire de mécanique des solides, École polytechnique, route de Saclay, 91128 Palaiseau cedex, France
² Brouard Consulting, 101, rue du Temple, 75003 Paris, France

Comptes Rendus. Mécanique, Volume 346 (2018) no. 6, pp. 423-431.

Résumé
Abstract

On décrit un modèle de formation d'un geyser de saumure faisant éruption à la tête de puits d'une caverne créée par dissolution dans une formation saline. Dans la plupart des cas, le débit de saumure sortant d'une caverne ouverte en tête de puits est lent ; il résulte de la convergence de la caverne par fluage du sel et de l'expansion thermique de la saumure contenue dans la caverne. Ces deux effets sont en principe sans à-coup. Cependant, le débit que l'on observe est très irrégulier ; la raison en est qu'il est modulé par les variations de la pression atmosphérique, qui engendrent des variations de volume de la caverne et de la saumure qu'elle contient. De plus, lorsque le débit est suffisamment rapide, le comportement de la saumure dans le puits est adiabatique. La saumure plus froide sortant en tête de puits est remplacée par de la saumure plus chaude entrant par le fond du puits, de sorte que le poids de la colonne s'allège. Le débit augmente alors. Il peut devenir si rapide que les termes d'inertie et de pertes de charge doivent être pris en compte. Un geyser se forme ; il s'arrête lorsque la pression dans la caverne a suffisamment chuté. Une solution explicite est possible ; elle montre que deux cas doivent être distingués, suivant que le contenu initial du puits est complètement expulsé ou non. Elle montre aussi que la formation d'un tel geyser est rare, il faut à la fois que le puits soit étroit et que la caverne soit très compressible. Cette étude a pour origine un geyser réellement observé ; malheureusement, l'information disponible est trop restreinte pour permettre de l'attribuer de façon certaine au mécanisme invoqué.

The formation of a brine geyser erupting from the wellhead of a large underground salt cavern is described. In most cases, the brine outflow from an opened cavern is slow; it results from the cavern creep closure and the thermal expansion of the cavern brine. These two processes are smooth; however, the brine outflow often is bumpy, as it is modulated by atmospheric pressure variations that generate an elastic increase (or decrease) of both cavern and brine volumes. In addition, when the flow is fast enough, the brine thermodynamic behavior in the wellbore is adiabatic. The cold brine expelled from the cavern wellhead is substituted with warm brine entering the borehole bottom, resulting in a lighter brine column. The brine outflow increases. In some cases, the flow becomes so fast that inertia terms must be taken into account. A geyser forms, coming to an end when the pressure in the cavern has dropped sufficiently. A better picture is obtained when head losses are considered. A closed-form solution can be reached. This proves that two cases must be distinguished, depending on whether the cold brine initially contained in the wellbore is expelled fully or not. It can also be shown that geyser formation is a rare event, as it requires both that the wellbore be narrow and that the cavern be very compressible. This study stemmed from an actual example in which a geyser was observed. However, scarce information is available, making any definite interpretation difficult.

Reçu le : 2018-01-16
Accepté le : 2018-03-19
Publié le : 2018-03-29

DOI : 10.1016/j.crme.2018.03.004

Keywords: Geyser, Tepid geyser, Salt cavern, In situ tests in salt caverns, Instability, Outflow test
Mot clés : Geyser, Geyser tiède, Cavité saline, Essais en place en cavité saline, Instabilité, Essai de dégorgement

Affiliations des auteurs :

Pierre Bérest ¹ ; Benoît Brouard ² ; Vassily Zakharov ²

¹ Laboratoire de mécanique des solides, École polytechnique, route de Saclay, 91128 Palaiseau cedex, France
² Brouard Consulting, 101, rue du Temple, 75003 Paris, France

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Pierre Bérest; Benoît Brouard; Vassily Zakharov. “Tepid” Geysers above salt caverns. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 346 (2018) no. 6, pp. 423-431. doi : 10.1016/j.crme.2018.03.004. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2018.03.004/

Bibliographie
Cité par

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[7] Schweizer Radio und Fernsehen, Play SRF, Messungen nach Salzwasserfontäne https://www.srf.ch/play/tv/schweiz-aktuell/video/messungen-nach-salzwasserfontaene?id=801a0fa3-a341-409e-b53f-b0f51f90c577&station=69e8ac16-4327-4af4-b873-fd5cd6e895a7 (viewed 8 January 2018)

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