Investigation numérique des impacts du forage sur les aquitards et sur les écoulements verticaux dans des systèmes aquifères

La surveillance des eaux souterraines dans les aquifères ou les systèmes aquifères stratifiés nécessite la réalisation de forages pour l’installation de piézomètres et/ou de puits d’observation. Une hypothèse couramment admise est que les aquitards, unités à très faible perméabilité, demeurent hydrauliquement intacts lors du forage et de l’installation de ces ouvrages. En pratique, les opérations de forage endommagent fréquemment les aquitards dans une zone annulaire autour de l’axe du forage, entraînant une augmentation considérable de la conductivité hydraulique de cette zone endommagée. Ces zones constituent alors des chemins d’écoulement préférentiels entre les couches aquifères superposées, ce qui fausse les mesures piézométriques. La présente étude s’inscrit dans une démarche visant à mieux comprendre les impacts de l’endommagement des aquitards lié au forage sur les propriétés hydrauliques naturelles des systèmes aquifères et sur les mesures hydrogéologiques, notamment les échanges verticaux d’eau souterraine au droit des forages. Elle évalue, de manière qualitative et quantitative, l’effet de la sévérité de l’endommagement, définie par l’épaisseur radiale de la zone affectée et par l’augmentation de sa conductivité hydraulique, sur les débits de fuite verticale et sur les charges hydrauliques mesurées dans les puits d’observation. Au total, 104 simulations numériques axisymétriques en régime permanent, réalisées par la méthode des éléments finis, ont été effectuées pour un modèle conceptuel comprenant un aquifère supérieur libre, un aquitard de 2 m d’épaisseur et un aquifère inférieur captif, traversé par un piézomètre crépiné sur toute son épaisseur. Des niveaux croissants de sévérité de l’endommagement sont considérés, caractérisés par (1) des diamètres externes de la zone endommagée variant de 0,15 à 0,50 m et (2) une augmentation de la conductivité hydraulique de 10⁻⁹ à 2 × 10⁻¹ m/s, couvrant des conditions réalistes de perturbations liées au forage. Les résultats numériques indiquent que la conductivité hydraulique et la géométrie de la zone endommagée contrôlent à la fois les débits d’écoulement vertical et la réponse de la charge hydraulique. L’augmentation de la perméabilité et de la section transversale de la zone endommagée entraîne des augmentations non linéaires, passant du simple au double, de l’écoulement vertical préférentiel à travers l’aquitard et induit un biais systématique de la charge hydraulique mesurée par rapport à la charge non perturbée dans l’aquifère captif. Lorsque les dommages deviennent significatifs, la charge hydraulique dans le puits augmente de 3,20 m à 3,88 m, correspondant à une erreur piézométrique de 0,68 m. Ces résultats confirment que les dommages induits par le forage peuvent modifier de manière significative les données hydrogéologiques.

Abstract

Groundwater monitoring in aquifers or layered aquifer systems requires drilling for the installation of piezometers and/or observation wells. A commonly accepted assumption is that aquitards with very low permeability remain hydraulically intact during drilling and well installation. In practice, drilling operations frequently damage aquitards within an annular zone around the borehole axis, leading to a substantial increase in the hydraulic conductivity of this damaged zone. These zones can act as preferential flow paths between superposed aquifer layers, thereby biasing piezometric measurements. This study is part of an effort to better understand the impacts of drilling induced aquitard damage on the natural hydraulic properties of aquifer systems and on hydrogeological measurements, particularly vertical groundwater exchanges at borehole locations. It evaluates, both qualitatively and quantitatively, the effect of damage severity defined by the radial thickness of the affected zone and by the increase in its hydraulic conductivity on vertical flow rate and on hydraulic head measured in observation wells. In total, 104 steady-state axisymmetric numerical simulations, conducted using the finite element method, were carried out for a conceptual model comprising an unconfined upper aquifer 2m-thick aquitard, and a confined lower aquifer, intersected by a fully screened piezometer. Increasing levels of damage severity were considered, characterized by (1) external diameters of the damaged zone ranging from 0.15 to 0.50 m and (2) increases in hydraulic conductivity from 10⁻⁹ to 2 × 10⁻¹ m/s, covering realistic conditions associated with drilling disturbances. The numerical results indicate that the hydraulic conductivity and geometry of the damaged area control both the vertical flow rates and the hydraulic load response. The increase in permeability and cross-sectional area of the damaged zone leads to nonlinear increases, ranging from single to double, in the preferential vertical flow through the aquitard and induces a systematic bias in the measured hydraulic load relative to the undisturbed load in the confined aquifer. When the damage becomes significant, the hydraulic head in the well increases from 3.20 m to 3.88 m, corresponding to a piezometric error of 0.68 m. These results confirm that drilling-induced damage can significantly alter hydrogeological data.