Réalisation · Géoscience & étude du sous-sol
Mesurer la perméabilité sur 9 ordres de grandeur : perméamètre à gaz haute pression sur mesure
Pour un laboratoire de recherche en génie civil, IRIAN Mecatronics a conçu et fabriqué un perméamètre à gaz sur mesure. L'équipement mesure la perméabilité d'échantillons de roche sur une plage de 9 ordres de grandeur, sous une pression de confinement de 600 bar.
01 — La question de recherche
Comment mesurer une propriété physique sur une très grande plage dynamique avec un seul équipement ?
Certaines propriétés physiques, comme la perméabilité d'un matériau, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur d'un échantillon à l'autre. Les capteurs standards ont une plage de mesure limitée et obligent les laboratoires à multiplier les équipements ou à changer de capteur en cours de manipulation, ce qui rend la mesure discontinue, complexe et coûteuse.
Dans ce projet, un laboratoire de recherche devait caractériser la perméabilité au gaz d'échantillons de roche allant du très poreux au quasi-étanche, tout en simulant des conditions géologiques profondes (pression de confinement jusqu'à 600 bar). Les débitmètres du commerce, incapables de couvrir une telle étendue, auraient rendu les manipulations fastidieuses et les résultats hétérogènes.
Concilier la mesure de débits de gaz très élevés (roches perméables) et de débits quasi nuls (roches quasi-étanches) dans un seul dispositif, sans compromettre la précision aux extrêmes de la gamme.
02 — Notre démarche
La démarche : du principe de mesure à la cellule de test
Pour lever ce verrou, notre bureau d'études a fait trois choix de conception qui garantissent la performance sur toute la gamme, la rapidité de la mesure et l'intégrité de l'échantillon.
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Adopter un principe de mesure indirect pour couvrir toute la gamme
Aucun débitmètre direct ne couvrant 9 ordres de grandeur, nous avons basé la mesure sur la vitesse de variation de pression dans deux volumes calibrés. Ce principe (méthode transitoire), directement lié à la loi de Darcy, reste valide sur toute la plage. L'utilisateur dispose d'une mesure unique et continue, sans changement de capteur.
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Spécialiser le circuit pour optimiser vitesse et sensibilité
Un circuit unique aurait été soit trop lent pour les hautes perméabilités, soit pas assez sensible pour les faibles. Nous avons donc conçu deux circuits commutables : un amont 'haute pression' pour les débits élevés et un aval 'basse pression' pour les flux infimes. Le temps de mesure est ainsi optimisé pour chaque type d'échantillon.
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Sécuriser l'échantillon sous forte contrainte triaxiale
Pour appliquer 600 bar de confinement sans endommager la roche, nous avons développé une cellule mécanique auto-compensée. Elle maintient une pression isostatique et protège l'intégrité de l'échantillon durant les cycles de pressurisation. Cette approche est au cœur de nos réalisations en équipements de laboratoire pour les géosciences.
03 — Au-delà de ce projet
Votre projet ressemble-t-il à ces applications ?
Matériaux de construction
Pour caractériser la perméabilité à l'air ou à l'eau de bétons haute performance ou de géomembranes. Le principe de mesure par variation de pression et l'architecture à double circuit resteraient pertinents ; la cellule et les fluides seraient adaptés.
Emballage agroalimentaire ou pharmaceutique
Pour mesurer la très faible perméabilité à l'oxygène ou à la vapeur d'eau de films barrières. Le circuit aval de notre banc, optimisé pour les flux infinitésimaux, serait directement transposable. La cellule serait conçue pour des films plats sous faible pression différentielle.
Textiles techniques et membranes
Pour évaluer la 'respirabilité' de tissus allant de l'étanche à l'ultra-respirant. La méthode de mesure par variation de pression sur des circuits spécialisés reste la plus adaptée, mais la cellule serait conçue pour des échantillons souples et de faibles pressions.
04 — Fiche technique
Les valeurs de ce projet. Chaque équipement étant conçu sur mesure, elles s’adaptent à votre cahier des charges.
Afficher les caractéristiques · 10⁻¹² à 10⁻²¹ m² · 60 MPa (600 bar) · 50 mm
| Plage de mesure de perméabilité | 10⁻¹² à 10⁻²¹ m² |
|---|---|
| Pression de confinement maximale | 60 MPa (600 bar) |
| Diamètre de l'échantillon | 50 mm |
| Hauteur de l'échantillon | 30 à 100 mm |
| Gaz de test | Compatible argon, azote, hélium |
IRIAN Mecatronics conçoit et fabrique des équipements haute pression et haute température sur mesure pour les laboratoires de recherche, les centres techniques et les industriels.
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05 — FAQ
Questions fréquentes
Peut-on utiliser ce type de perméamètre pour mesurer la perméabilité à un liquide comme l'eau ?
Non, ce principe de mesure est spécifique aux fluides compressibles (gaz). Pour un liquide incompressible comme l'eau, une autre méthode est nécessaire, typiquement basée sur la mesure d'un volume injecté à débit constant. Nous concevons ces systèmes en utilisant des pompes seringues de haute précision pour imposer le débit et des capteurs de pression différentielle pour mesurer la perte de charge.
Est-il possible d'adapter ce banc pour des pressions de confinement encore plus élevées, par exemple 150 MPa ?
Oui, c'est tout à fait possible. La conception d'équipements pour la simulation d'environnements extrêmes est notre cœur de métier. Une pression de 150 MPa (1500 bar) ou plus impliquerait un redimensionnement de la cellule de confinement, des circuits et le choix de matériaux adaptés. Le principe de mesure par variation de pression resterait cependant valide.
Comment mesurer la perméabilité sur des échantillons non cylindriques ou très fragiles ?
La cellule de confinement est systématiquement conçue sur mesure pour s'adapter à la géométrie de l'échantillon. Pour des formes cubiques, des films ou des matériaux très fragiles, nous adaptons le design du porte-échantillon et le mode d'application de la contrainte. Pour des analyses fines du comportement mécanique, une cellule d'essai triaxial HPHT peut être une solution plus adaptée.
La commutation entre les circuits de mesure et l'acquisition des données sont-elles automatiques ?
Oui, l'automatisation complète du cycle de mesure est une pratique standard pour nos bancs d'essais sur mesure. Le logiciel de contrôle gère la commutation entre les circuits en fonction de la gamme de perméabilité attendue, les cycles de pressurisation, l'acquisition des données de pression en fonction du temps et le calcul final de la perméabilité. Cela garantit la répétabilité et simplifie le travail de l'opérateur.
Votre mesure de perméabilité, de porosité ou de diffusion est limitée par la plage dynamique de vos capteurs ?
Décrivez-nous votre contrainte, même la plus spécifique. Notre bureau d'études analyse la faisabilité de votre projet et revient vers vous avec une proposition d'approche.
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