Etude structurale et dynamique de réservoirs hydrothermaux haute

Etude structurale et dynamique de réservoirs hydrothermaux haute
enthalpie ; exemple de la géothermie en Islande
Financement : Bourse issue d’un projet Européen (HITI- High Temperature Instruments) –
50 % acquise. Demande de bourse BRGM ou ADEME pour le complément – 50 %.
Début : 01/09/2007
Encadrement : P. Pezard (HDR) et B. Ildefonse (HDR).
Thématique : Géothermie et hydrothermalisme.
Détail : Ce sujet de thèse a pour but d’étudier in situ et en laboratoire le fonctionnement
physico-chimique des systèmes géothermiques en vue de leur exploitation future. Il est
associé à un projet Européen « HITI » (voir ci-dessous) dont le but est de caractériser des
réservoirs géothermiques profonds (sous conditions supercritiques). Nous désirons aussi
l’associer au pôle de compétitivité « DERBI » localisé en région « Languedoc - Roussillon »,
et dont la géothermie constitue l’un des axes de recherche.
Profil candidat : Pétrophysique, géophysique, pétrologie, géologie.
Domaine scientifique : Géosciences.
Mots clés : Géothermie, volcanisme, Islande, croûte océanique, transferts de chaleur,
réservoir et fluides supercritiques, géophysique en forage, résistivité électrique,
pétrophysique.
Objectifs : L’objectif du travail de thèse est de parvenir à une caractérisation in situ, aussi
bien structurale que dynamique, du fonctionnement des réservoirs géothermaux haute
enthalpie. Pour cela, on s’appuiera à la fois sur des mesures et images géophysiques en
forage, des mesures pétrophysiques en laboratoire, ainsi que sur le programme de
recherche IDDP qui vise, par forage à environ 5 km, l’exploitation géothermale de réservoirs
supercritiques.
S’inscrivant dans le contexte d’un projet Européen FP6 « HITI », en association avec une
équipe Islandaise (voir ci-dessous), ce projet se focalisera sur les systèmes géothermiques
islandais, et notamment la région de Krafla, au NE de l’Islande. A partir des mesures et
échantillons produit par le projet IDDP, et en utilisant les méthodologies développées en
Oman et dans l'océan, nous proposons d'étudier de façon multidisciplinaire le
fonctionnement de la zone de recharge des réservoirs hydrothermaux en régime
supercritique. Une approche géochimique et pétrologique permettra de déterminer la
température du réservoir et la composition des fluides, d'identifier les chemins de
percolation, et de décrire les paragenèses subies par l'encaissant. Une approche par
géophysique en forage, après réduction de la température locale par foration, permettra de
décrire in situ la porosité (principalement liée à la fracturation) du réservoir, la salinité du
fluide poral, et de confronter failles, fractures et microstructure à la thermicité in situ et au
champ de contraintes observé dans le puits à l'aide des déformations induites. Une
approche pétrophysique en laboratoire permettra à la fois de caler les mesures en forage et
de préciser le fonctionnement à la fois mécanique, thermique et hydrodynamique du
réservoir hydrothermal à haute température (T> 400°C). Enfin, une approche géophysique
permettra de mieux contraindre les circulations au sein du réservoir, de replacer le puits
dans son contexte crustal et ainsi d’analyser à plus grande échelle la relation entre
fracturation, circulations et contraintes.
• Approche pétrophysique et par géophysique en forage
Une démarche intégrée a été développée à partir de l'analyse combinée de carottes et de
profils géophysiques en forage venant du Site DSDP/ODP 504, et donc sur un système
fossile de basse température (de 20 à 300°C environ). Cette démarche, basée sur l'analyse
des propriétés électriques a permis de relier structures aussi bien lithologique que
tectonique, circulations de fluides et champ de contrainte in-situ [Pezard et al., 1992; Pezard,
2000]. Nous proposons de développer cette approche sur les nouveaux sites de forage IDDP
à haute température (> 400°C) et plus grande profondeur dans la croûte.
En particulier, nous proposons l'analyse des propriétés électriques, à la fois in situ et sur
carottes [Pezard, 1990; Ildefonse et Pezard, 2001]. La résistivité électrique des roches peut
être mesurée à l’échelle du réservoir géothermique, en forage (e.g. Pezard, 1990) ou à plus
grande échelle (Flovenz,et al., 1985). Elle dépend de la température, de la présence de
fluides, de la porosité de la roche, de la topologie de l’espace poreux (e.g. Archie, 1942),
ainsi que de la présence de minéraux argileux du fait de l’altération hydrothermale.
La résistivité électrique peut donc donner des informations majeures concernant la nature du
réservoir géothermique, à condition que cette propriété et ses variations en fonction des
conditions physico-chimiques soit bien connue. Les mesures sur carottes sont réalisées non
seulement en fonction de la salinité du fluide saturant pour mettre en lumière la composante
surfacique de la conduction électrique, particulièrement importante dans les édifices
volcaniques du fait de l'altération, mais aussi en fonction de la température. Le
comportement de ces propriétés jusqu'à des températures moyennes (T < 300°C) permettra
en retour d'analyser les mesures en forage et, à plus haute température, de mieux
comprendre les relations entre fracturation (volume transmissif), nature du fluide saturant et
conductivité électrique, et donc d'interpréter de façon plus pertinente le fonctionnement du
réservoir à partir des cartes de résistivité enregistrées depuis la surface.
• Structure du réservoir et contraintes in situ
Afin de mieux contraindre les circulations au sein du réservoir hydrothermal, nous proposons
de replacer le puits dans son contexte crustal à échelle kilométrique et ainsi d’analyser la
relation entre la fracturation, circulations et champ de contraintes. Celui-ci peut être étudié à
la fois en forage, à partir des déformations du puits, ou à échelle régionale, à l'aide des
séismes peu profonds. Nous proposons donc d’utiliser la sismicité naturelle de la zone située
à proximité du forage ainsi que la déformation des forages analysés afin d'obtenir une
meilleure connaissance des chemins d’alimentation du réservoir géothermal. Les éventuelles
déformations des parois de forage, telles les fentes de tensions induites ou les breakouts,
seront confrontées au champ de contraintes régional déjà analysé par inversion des
mécanismes au foyer de séismes à proximité du forage et en fonction de la profondeur.
Dans le cadre du projet HITI, dont l’objectif est d’étudier les sites géothermiques de très
haute enthalpie, et ce jusqu’aux conditions supercritiques de l’eau (T> 374°C, P> 220 bars),
nous envisageons de mettre en oeuvre l ‘approche innovante présentée ci-dessus dans le
cadre de deux études de cas. Elles seront centrées sur deux forages situés dans la région
de Krafla, au NE de l’Islande. La première concernera un puit existant, encore ouvert et donc
accessible à de nouvelles mesures, avec carottes et mesures géophysiques in situ. La
seconde sera centrée sur le puits IDDP, dès qu’il sera accessible.
Contexte, exposé des motifs : Le volcanisme libère plus de la moitié de la chaleur
dégagée par le globe terrestre et est le moteur de l'hydrothermalisme. En mer, il contrôle la
chimie de l'océan et donne naissance à des formes de vie extrêmes encore inconnues voici
moins de trente ans. A terre, il est le moteur de la géothermie haute enthalpie considéré
comme une source d'énergie inépuisable à échelle humaine. Actuellement, seuls des
systèmes de basse ou moyenne enthalpie sont exploités dans le domaine de la géothermie,
et l'exploration des processus associés à la présence de fluides supercritiques (T > 400°C)
reste à ce jour confinée à l'étude de systèmes fossiles. Alors que l'exploitation de tels
systèmes était jusqu'à présent considérée comme impossible, les progrès technologiques
montrent qu'il est maintenant envisageable de les forer [Thorhallson et al., 2003] et d'en
produire une quantité d'énergie au moins dix fois supérieure à celle extraite des systèmes
actuels.
En Islande, la récurrence des séismes à 5 km sous les zones volcaniques actives
(Reykjanes, Hengill, Krafla) laisse penser qu'une circulation hydrothermale existe à des
températures compatibles avec un fonctionnement supercritique du réservoir géothermal
[Tsuchiya and Bignall, 2002]. C'est pourquoi le gouvernement islandais associé à plusieurs
groupes industriels propose d'atteindre de tels réservoirs dans le cadre du projet IDDP
("Iceland Deep Drilling Project"). IDDP est soutenu par ICDP, la NSF, ainsi que le consortium
islandais SAGA, ce qui va permettre de débuter en 2008 un premier forage situé dans la
région NE de Krafla.. Géosciences Montpellier est associé à IDDP par l'intermédiaire de P.
Pezard, membre du comité de pilotage depuis 2003.
IDDP ouvre donc, pour la première fois, la porte à l'exploration directe des zones de
réaction à proximité des chambres magmatiques. Les processus physico-chimiques de très
haute température dans ces zones n'ont été explorés que sur des systèmes fossiles comme
l'ophiolite d'Oman. Ils sont par ailleurs la clé du fonctionnement des zones de recharge de
l'hydrothermalisme [Norton et Dutrow, 2001, Nicolas et Mainprice, 2005]. Nous proposons
d'étudier le fonctionnement du réservoir hydrothermal et, tout particulièrement, la relation
entre thermicité, porosité (fracturation), champ de contraintes et écoulements à partir de
l'analyse des carottes, de mesures géophysiques en forage et d'une analyse tomographique
de la structure superficielle de la croûte à proximité du site de forage.
L'étude de ce thème prolonge une activité initiée au laboratoire de Tectonophysique avec les
travaux mené sur l'ophiolite d'Oman par A. Nicolas et ses collaborateurs depuis le début des
années 2000, ainsi que les travaux basés sur les forages océaniques de P. Pezard et B.
Ildefonse depuis 1990. Focalisée principalement sur IDDP, cette activité pourra être
complétée par ailleurs en s'appuyant sur l'étude des ophiolites, ou de campagnes de forage
en mer (IODP; Puits 1256D). Une caractéristique commune à nombre de ces projets est la
mise en œuvre conjointe des approches pétrologique, pétrophysique, géophysique,
microstructurale et géochimique, et de chantiers à terre ou en mer.
Cette thèse sera co-financée par le projet Européen HITI : « HIgh Temperature Instruments
for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation » (débuté le 01
Janvier 2007) qui s’inscrit dans le FP6 - priorité 6 “développement durable, changement
globaux et écosystèmes”. Ce projet, porté par Philippe Pezard (Géosciences Montpellier), a
pour but de caractériser les propriétés physiques des roches à haute température et en
présence de fluides (Température> 300°C, profondeur de 5 km) afin de permettre
l’exploration de réservoirs géothermiques de très haute enthalpie. Ce projet est en étroite
association avec le projet Islandais IDDP (« Iceland Deep Drilling Project ») (Elders et al.,
2003) dont le but est de produire de l’électricité de façon beaucoup plus efficace en
exploitant des réservoirs très profonds. Ce projet prévoit le forage d’un puits à 5 km de
profondeur, à des températures supérieures à 300°C - 400°C et où les conditions seront
proches des conditions supercritiques de l’eau (Steingrimsson et al, 1990). Dans ces
conditions, la puissance délivrée par une exploitation géothermique peut être multipliée par
10 par rapport aux exploitations actuelles.
Notre contribution, par l’intermédiaire de cette thèse, sera de caractériser à partir de
mesures pétrophysiques sur carottes et géophysiques in situ, en forage, les propriétés du
réservoir ainsi que sa dynamique. Dans un contexte régional, ce projet sera lié au pôle de
compétitivité « DERBI », qui comporte, parmi d’autres projets de développement d’énergie
renouvelable, un volet géothermie. Notre laboratoire (équipe « Subsurface », Philippe
Pezard) est présent avec l’analyse de mesures en forages pour de futurs sites d’exploitation
géothermique basse enthalpie. Dans ce contexte, le développement de nouvelles méthodes
de caractérisation in situ des réservoirs géothermiques peut avoir un impact important à
basse température.
Méthode : Le travail de thèse se développera à deux échelles complémentaire. En
laboratoire, il consistera essentiellement en un travail de pétrophysique qui aura pour but de
mesurer certaines propriétés physiques clé des roches, telles la porosité, ou la résistivité
électrique à basse température (T< 100°C) et pression atmosphérique. Pour cela, le
laboratoire dispose des moyens nécessaires comme une série d’impédance-mètres (Hoyki,
Solartron). L’analyse des données de terrain images et mesures géophysiques recueillies in
situ, en forage, se fera également à Montpellier à l’aide des différents logiciels d’analyse
d’image adaptés (GeoFrame, WellCad) ou de modélisation numérique (RtEvrest, WellHeat).
Résultats attendus : Le premier résultat attendu est d’ordre méthodologique, pour
l’analyse intégrée de la structure et de la dynamique des réservoirs hydrothermaux, de
basse à très haute enthalpie. Un résultat fondamental serait l’obtention, comme résultat de
l’analyse de la résistivité électrique in situ et en laboratoire, d’information concernant les
variations in situ de salinité du fluide poral d’un système hydrothermal, mettant notamment
en lumière les zones de réaction et, par exemple, d’extraction de métaux. Cette nouvelle
méthode servira de base à l’analyse de systèmes de plus basse enthalpie, comme ceux
exploités ou en cours d’étude en région « Languedoc – Roussillon ». Ces données seraient
également utiles dans d’autres domaines, comme celui la prospection pétrolière HPHT.
Références bibliographiques :
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