Géothermie dans les réservoirs silicoclastiques : Apport des analogues de terrain et simulations hydro-dynamiques

Thèse sous la direction de Benjamin Brigaud (GEOPS, Université Paris-Saclay) et Raphaël Bourillot (EPOC, Bordeaux INP)

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Présentation détaillée du projet doctoral

En France, les réseaux de chaleurs sont en grande partie dépendants des combustibles fossiles (42%), et la part de la géothermie profonde représente moins de 5% [1]. Son déploiement dans les métropoles est limité par un risque géologique difficilement prédictible.

La nouvelle programmation pluriannuelle de l’énergie renouvelable vient de revoir à la baisse ses objectifs en terme de déploiement de la géothermie profonde en France, notamment en raison des risques géologiques élevés qu’une opération nouvelle n’obtienne pas une ressource géothermique présentant des caractéristiques de débit et de température suffisantes pour assurer la rentabilité du projet pendant sa durée de vie [2]. Ce risque géologique constitue un obstacle au développement futur de la géothermie en France et en Ile-de-France. Ce projet consistera à travailler sur des méthodes innovantes de modélisation en proposant des solutions qui optimisent et explorent le développement de nouvelles zones en domaine sédimentaire. L’optimisation de l’utilisation de la géothermie profonde est un enjeu majeur pour la région Ile-de-France, qui compte près de 12 millions d’habitants. Dans le sous-sol de l’Ile-de-France, un aquifère profond (1500 à 2000 m) est très sollicité depuis 40 ans. Il s’agit des calcaires du Jurassique moyen (température entre 70 et 80°C), dont l’exploitation arrive à saturation. Un deuxième aquifère moyennement profond (500 à 800 m) est très localement exploité en réseaux de chaleur (Plessis-Robinson, Bruyères-le-Chatel). Il s’agit des sables du Wealdien (température d’environ 30-40°C). Il devient nécessaire de positionner les doublets de manière optimale en proposant des solutions qui explorent le développement de nouvelles zones, les réservoirs gréseux/sableux du Néocomien ou du Trias (80°C) deviennent des cibles qu’il convient de mieux caractériser pour un possible développement.

Cette optimisation nécessite (1) une connaissance précise de l’hétérogénéité du réservoir en termes de géométries sédimentaires, porosité/perméabilité, connectivité du réservoir et (2) des simulations numériques fiables des écoulements et flux de chaleur à +30 ans, voire +100 ans après le début de la production [3].

Afin d’atteindre l’objectif fixé par la région Ile-de-France dans sa stratégie «énergie-climat » [2] en dé-risquant au mieux les futurs opérations auprès des investisseurs souvent publics (communes ou communautés de communes), il devient urgent de fournir un modèle géologique numérique fiable et précis de l’hétérogénéité du milieu poreux, permettant de prédire l’évolution thermique et hydrologique des aquifères. Une architecture stratigraphique bien définie réduirait ces risques en permettant des simulations de flux d’eau et de chaleur bien précises, en identifiant l’influence du milieu environnant par des lois géostatistiques de distribution. Cette simulation se fera à l’échelle la plus fine possible, en tenant compte de l’hétérogénéité des faciès sédimentaires, de la porosité, des altérations diagénétiques, de l’architecture stratigraphique, des relations avec la fracturation et de l’étude des analogues de terrain (affleurements).

Thématiques Contexte

Géologie des réservoirs sédimentaires et géothermie

Objectif et contexte

L’objectif du projet de thèse est de réfléchir à trouver des solutions permettant de proposer des outils/solutions numériques dont le but sera d’optimiser le positionnement et rendre durable des doublets géothermiques. L’objectif à terme est de mettre en place une méthodologie combinant des données issus d’analogue réservoir de terrain, de puits et de modélisation afin de construire un outil prédictif de la performance d’un lieu donné sur son potentiel géothermique en termes de porosité, perméabilité, de débit, de productivité, de température et de quantité d’énergie. L’objectif principal de ce projet de de thèse sera de proposer une modélisation géologique 3D robuste des géométries stratigraphiques et du réseau poreux de la roche et de simuler l’écoulement sur les zones cibles (pluri-kilométriques). Nous souhaitons nous concentrer principalement sur l’étude des caractéristiques fines des réservoirs géothermiques silicoclastiques (Trias et Sables du Crétacé inférieur) de la région Ile-de-France en comparant avec des analogues de terrain en France, en Espagne et aux USA.

Analyses de puits (logs, carottes, cuttings, pétrographie et pétrophysique)

Une base de données rassemblant les logs et données pétrophysiques de 80 puits sur une zone allant du Sud de Paris jusqu’à Melun est disponible à GEOPS sur le logiciel Petrel©. Il conviendra d’alimenter cette base avec des données provenant de la banque du sous-sol (http://infoterre.brgm.fr/). Deux puits de référence seront échantillonnés (Bobigny et Saclay) et analysés en terme de faciès, pétrographie et pétrophysique (porosité, perméabilité, RMN). Nous prévoyons un traitement des logs RMN des puits à disposition en croisant l’analyse pétrographique des faciès, des types de pores avec l’étude de détail des lames minces. Le but est de conceptualiser la géométrie des corps réservoirs. Le projet de thèse prévoit également de comparer les diagraphies et les faciès de ces puits afin de proposer un rock typing des faciès sableux du Crétacé inférieur et gréseux du Trias sur l’outil numérique EasyTrace.

Les analogues réservoirs

Les affleurements analogues aux réservoirs gréseux les plus proches géographiquement de la région parisienne seront étudiés (comme Cuy-Saint-Fiacre, Seine-Maritime) en tant qu’analogues en surface aux réservoirs du Crétacé inférieur ou du Trias de subsurface. La photogrammétrie a été testée avec succès et optimisée à GEOPS pour s’adapter aux contraintes inhérentes à l’acquisition. Une acquisition par survols de drones associée à la géologie de terrain permettra de fournir un modèle stratigraphique précis des analogues des réservoirs à l’affleurement. Nous prévoyons d’acquérir des images haute résolutions sur plusieurs autres analogues réservoirs de terrain : (1) grès estuarien/deltaïque (la formation Sego, Crétacé supérieur, Colorado, USA), (2) le Miocène du Bassin du Sud-Est et (3) l’Eocène du Bassin Sud-Pyrénées [4]. Cette démarche permettra de construire des modèles photogrammétriques d’affleurements en 3D avec Virtual Reality Geological Studio (VRGS : https://www.click2go.umip.com/i/s_w/vrgs.html), en capturant les hétérogénéités sédimentaires à des échelles allant du décimètre au kilomètre, qui pourront ensuite être utilisées pour la modélisation des réservoirs sur géomodeleur [5].

Modèle statistique sur le géomodeleur  Petrel

Les données de l’étude des puits et des affleurements conduiront à une modélisation statique 3D de l’architecture du réservoir en utilisant les concepts de stratigraphie séquentielle et l’analyse statistique des observations d’échantillons. La comparaison des observations géologiques avec les modèles 3D des affleurements permettra de développer différents modèles stratigraphiques qui serviront de base à la modélisation géologique 3D des propriétés du réservoir (porosité et perméabilité). Sur la base des modèles statistiques qui auront été obtenus, des modèles numériques 3D d’affleurements seront construits pour capturer l’hétérogénéité sédimentaire à des échelles décimétriques à kilométriques pour la modélisation des écoulements des réservoirs [5]. Cette modélisation est un prérequis pour effectuer des tests d’écoulement dans la couche (à l’aide de Tough2, PumaFlow et Eclipse).

Méthode

L’approche et les méthodes utilisées dans UPGEO seront :

Description de puitsUtilisation des diagraphies de puits, en particulier la RMN, et des échantillons de carottes ou cuttings au µCT scan pour caractériser les faciès (pétrographie), la microstructure et les propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité, RMN).

Terrain

Intégration des données provenant d’analogues à l’affleurements par acquisition photogrammétrique par drones dans l’optique de réaliser des modèles réservoirs 3D avec les outils numériques (PIX4D, Virtual Reality Geological Studio et Petrel).

Modélisation géologique

• Utilisation des statistiques pour peupler les faciès et les géométries stratigraphiques des réservoirs carbonatés et silicoclastiques.
• Proposer de nouveaux concepts de connectivité des réservoirs, à partir de modèles géostatistiques, pour accroître la fiabilité des simulations d’écoulement.
• Utilisation de PIX4D, Virtual Reality Geological Studio et Petrel sur les analogues de terrain
• Utilisation de Petrel pour modéliser les propriétés de faciès, porosité et perméabilité
• Utilisation d’Eclipse et/ou PumaFlow pour la simulation de l’écoulement dans les systèmes sédimentaires géothermiques  clastiques.
• Fournir un workflow novateur pour la simulation applicable à d’autres bassins sédimentaires.
  
  

Résultats attendus

• modélisation photogrammétrique 3D d’analogues à l’affleurement, identification des faciès qui pourront être considérés comme cellules réservoir
• Faciès, stratigraphie séquentielle et pétrophysique (NMR, porosité, and perméabilité sur 100 plugs, 3D µCT)
• Géostatistiques pour remplir les cellules vides entre les puits et habiller en propriétés (facies, petrophysiques)
• modèle géologique (grille 3D) sur Petrel
• Simulation hydrodynamique sur Eclipse et PumaFlow

Précision sur l’encadrement

Benjamin Brigaud (Géosciences Paris Sud, Université Saclay) et Raphaël Bourillot (GéoRessources & Environnement, Bordeaux INP-Université Bordeaux Montaigne)

Projet de recherches

Ce programme de recherche de thèse est une partie du programme UPGEO « UPscaling and heat simulations for improving the efficiency of deep GEOthermal energy » financé par l’Agence Nationale pour la Recherche.

La thèse sera intégralement financée par l’ANR.

UPGEO est un programme de recherche collaboratif en géothermie entre l’Université Paris-Saclay, l’Université de Lyon, Bordeaux INP, BRGM, IFPEN et Geofluid http://hebergement.universite-paris-saclay.fr/upgeo

Collaborations

Collaboration avec toute l’équipe de l’ANR

• Géosciences Paris Sud (GEOPS), Université Paris-Saclay/CNRS, Orsay, France
• Laboratoire de Mathématique d’Orsay (LMO), Université Paris-Saclay/CNRS, Orsay, France
• Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), Université Paris-Saclay/CNRS/CEA, Gif-sur-Yvette, France
• Institut Camille Jordan (ICJ), Université Lyon/CNRS, Lyon, France
• Géoressources & Environnement (G&E), Bordeaux INP-Université Bordeaux Montaigne, Bordeaux, France
• BRGM, Orléans, France
• IFPEN, Rueil-Malmaison, France
• GEOFLUID, Roissy, France

Références bibliographiques

[1] Pécresse, V., 2018. Stratégie Énergie-Climat De La Région Île-De-France. Rapport n°CR 2018-016, 74 pages

[2] Ministère de l’Environnement, de l’énergie et de la mer en charge des relations internationales sur le climat, 2017. Chiffres clés de l’énergie, Edition 2016. 71 pages

[3] Willems, C. J., Nick, H. M., Donselaar, M. E., Weltje, G. J., Bruhn, D. F., 2017. On the connectivity anisotropy in fluvial Hot Sedimentary Aquifers and its influence on geothermal doublet performance. Geothermics, 65, 222-233.

[4] Andrieu S., Brigaud B., Barbarand J., Lasseur E., 2017. Linking early diagenesis and sedimentary facies to sequence stratigraphy on a prograding oolitic wedge: the Bathonian of western France (Aquitaine Basin). Marine and Petroleum Geology. 81, 169-195.

[5] Cabello, P., Domínguez, D., Murillo-López, M. H., López-Blanco, M., García-Sellés, D., Cuevas, J. L., Marzo, M., Arbués, P., 2018. From conventional outcrop datasets and digital outcrop models to flow simulation in the Pont de Montanyana point-bar deposits (Ypresian, Southern Pyrenees). Marine and Petroleum Geology, 94, 19-42.