BRGM

A.f-IV1.E.

PROJET TRIAS

expérimentations en vue de la réinjectionde saumures géothermales

dans les grès du Trias profond

A. BoisdetJ.-P. Cautru

Czernichowski-LauriolS. Detoc

J.-C. FoucherC. Fouillac

J.-L. HoneggerJ.-C. MartinF.-D. Vuataz

février 1 98989 SGN 141 3E/IRG

CONTRAT C.E.E. n° EN3G-0006-F (CD)

BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERESSERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

Département Eau - Environnement - EnergieInstitut Mixte de Recherches Géothermiques

B.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France - Tél.: (33) 38.64.31.72

BRGM

A.f-IV1.E.

PROJET TRIAS

expérimentations en vue de la réinjectionde saumures géothermales

dans les grès du Trias profond

A. BoisdetJ.-P. Cautru

Czernichowski-LauriolS. Detoc

J.-C. FoucherC. Fouillac

J.-L. HoneggerJ.-C. MartinF.-D. Vuataz

février 1 98989 SGN 141 3E/IRG

CONTRAT C.E.E. n° EN3G-0006-F (CD)

BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERESSERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

Département Eau - Environnement - EnergieInstitut Mixte de Recherches Géothermiques

B.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France - Tél.: (33) 38.64.31.72

SOMMAIRE

Pages

1 - CONTEXTE GENERAL ET PRESENTATION DU PROJET 1 1

1.1 - HISTORIQUE DE L'EXPLOITATION DU RÉSERVOIR DU TRIASEX FRANCE 11

1.2- DESCRIPTION DES OPÉRATIONS RÉALISÉES 121.2.1 - Cergy-Pontoise 121.2.2- Melleray 121.2.3- Achètes 121.3- DESCRIPTION DES PROBLÈMES DE RÉINJECTION DE MELLERAY 131.3.1- Contexte de l'exploitation géothermique à Melleray 131.3.2- Les problèmes particuliers liés à la réinjection 141.3.3- Les essais de mai 1982 financés par la CEE (DG XII) 14

1.4- PRÉSENTATION DES ESSAIS RÉALISÉS À ACHÈRES 151.5 - DESCRIPTION DES OBJECTIFS DE RECHERCHE DE L'IMRG

CONCERNANT LE TRIAS 161.5.1- Analyse exhaustive des causes et des effets 1 61.5.2- Recherche de procédés préventifs ou curatifs 171.6 - PART DU PROGRAMME DE RECHERCHE SOUTENU PAR LA CCE 171.6.1- Rappel du programme initial (convention EN3G-0006-F(CD)) 171.6.2- Présentation du programme réalisé 18

2- LES ASPECTS TECHNOLOGIQUES 192.1 - SITE DE MELLERAY 192.1.1- Données techniques du sous-sol 192.1.2- Données techniques d'exploitation 272.2- SITE DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER 312.2.1 - Présentation 312.2.2- Caractéristiques du puits 312.3 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE D'ESSAI DE PERCOLATION 352.4- DESCRIPTION DE LA BOUCLE DE TRAITEMENT DES EAUX 39

3 - ANALYSE GÉOLOGIQUE 4i3.1 - GÉNÉRALITÉS 413.2- LES GRÈS PLUS OU MOINS ARGILEUX 453.3 - LES SUIVIS DES EXPÉRIENCES DE PERCOLATIONS 473.4- LES MATÉRIAUX DES EXPÉRIENCES 483.4.1- Matériaux industriels 483.4.2- Matériaux naturels. Les grès 50

4 - RÉSULTATS HYDRAULIQUES DES EXPÉRIENCES DEPERCOLATION SUR CAROTTE 55

4.1- RAPPELS DES CONDITIONS EXPÉRIMENTALES 554.1.1- Equipement de mesure 554.1.2- Enregistrement des données 564.1.3- Les carottes et les fluides utilisés 564.2- RAPPELS THÉORIQUES 564.2.1 - Perméabilité 564.2.2 - Incidence de la température sur la viscosité 574.3 - RÉSULTATS OBTENUS 584.3.1- Les expériences. Tableau synthétique 584.3.2 - Evolution de la perméabilité au cours des percolations 59

89SGN1413E/IRG

SOMMAIRE

Pages

1 - CONTEXTE GENERAL ET PRESENTATION DU PROJET 1 1

1.1 - HISTORIQUE DE L'EXPLOITATION DU RÉSERVOIR DU TRIASEX FRANCE 11

1.2- DESCRIPTION DES OPÉRATIONS RÉALISÉES 121.2.1 - Cergy-Pontoise 121.2.2- Melleray 121.2.3- Achètes 121.3- DESCRIPTION DES PROBLÈMES DE RÉINJECTION DE MELLERAY 131.3.1- Contexte de l'exploitation géothermique à Melleray 131.3.2- Les problèmes particuliers liés à la réinjection 141.3.3- Les essais de mai 1982 financés par la CEE (DG XII) 14

1.4- PRÉSENTATION DES ESSAIS RÉALISÉS À ACHÈRES 151.5 - DESCRIPTION DES OBJECTIFS DE RECHERCHE DE L'IMRG

CONCERNANT LE TRIAS 161.5.1- Analyse exhaustive des causes et des effets 1 61.5.2- Recherche de procédés préventifs ou curatifs 171.6 - PART DU PROGRAMME DE RECHERCHE SOUTENU PAR LA CCE 171.6.1- Rappel du programme initial (convention EN3G-0006-F(CD)) 171.6.2- Présentation du programme réalisé 18

2- LES ASPECTS TECHNOLOGIQUES 192.1 - SITE DE MELLERAY 192.1.1- Données techniques du sous-sol 192.1.2- Données techniques d'exploitation 272.2- SITE DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER 312.2.1 - Présentation 312.2.2- Caractéristiques du puits 312.3 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE D'ESSAI DE PERCOLATION 352.4- DESCRIPTION DE LA BOUCLE DE TRAITEMENT DES EAUX 39

3 - ANALYSE GÉOLOGIQUE 4i3.1 - GÉNÉRALITÉS 413.2- LES GRÈS PLUS OU MOINS ARGILEUX 453.3 - LES SUIVIS DES EXPÉRIENCES DE PERCOLATIONS 473.4- LES MATÉRIAUX DES EXPÉRIENCES 483.4.1- Matériaux industriels 483.4.2- Matériaux naturels. Les grès 50

4 - RÉSULTATS HYDRAULIQUES DES EXPÉRIENCES DEPERCOLATION SUR CAROTTE 55

4.1- RAPPELS DES CONDITIONS EXPÉRIMENTALES 554.1.1- Equipement de mesure 554.1.2- Enregistrement des données 564.1.3- Les carottes et les fluides utilisés 564.2- RAPPELS THÉORIQUES 564.2.1 - Perméabilité 564.2.2 - Incidence de la température sur la viscosité 574.3 - RÉSULTATS OBTENUS 584.3.1- Les expériences. Tableau synthétique 584.3.2 - Evolution de la perméabilité au cours des percolations 59

89SGN1413E/IRG

Pages

4.3.3- Relation entre le débit et la chute de pression dans la carotte 694.3.4- Incidence de la température 694.3.5- Incidence du gaz 71

4.3.6- Incidence de la salinité du fluide 714.4 - TRANSPOSITION SUR UNE RÉINJECTION A ECHELLE 1 74

5 - CHIMIE 81

5.1- CHIMIE DES FLUIDES DU TRIAS 815.1.1- Au niveau européen 815.1.2- Au niveau du Bassin Parisien 835.2 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DÉTAILLÉE DU FLUIDE

DE MELLERAY 835.2.1- Prélèvements à difí"érents niveaux dans le forage 855.2.2 - Comparaison entre le puits de production et le puits d'injection 855.2.3- Suivis géochimiques journaliers 855.2.4- Etude de la phase gazeuse 895.2.5- Etude des particules solides 915.2.6- Conclusion 965.3 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DU FLUIDE

DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER 965.3.1- Composition chimique des phases liquide et gazeuse 965.3.2- Charge en particules et répartition des tailles 975.4- EXPÉRIENCES D'OXYDATION 985.4.1- Essais en cellule fermée 995.4.2- Essais en ligne 1005.4.3- Conclusion5.5 - SIMULATION DE L'ÉVOLUTION CHIMIQUE DU FLUIDE

DANS LA BOUCLE GÉOTHERMALE DE MELLERAY 1055.5.1- Présentation du modèle TPDEGAZ 1055.5.2- Résultats de la modélisation 1055.6- CONCLUSIONS 106

6 - RÉFÉRENCES 108

89SGN1413E/IRG

Pages

4.3.3- Relation entre le débit et la chute de pression dans la carotte 694.3.4- Incidence de la température 694.3.5- Incidence du gaz 71

4.3.6- Incidence de la salinité du fluide 714.4 - TRANSPOSITION SUR UNE RÉINJECTION A ECHELLE 1 74

5 - CHIMIE 81

5.1- CHIMIE DES FLUIDES DU TRIAS 815.1.1- Au niveau européen 815.1.2- Au niveau du Bassin Parisien 835.2 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DÉTAILLÉE DU FLUIDE

DE MELLERAY 835.2.1- Prélèvements à difí"érents niveaux dans le forage 855.2.2 - Comparaison entre le puits de production et le puits d'injection 855.2.3- Suivis géochimiques journaliers 855.2.4- Etude de la phase gazeuse 895.2.5- Etude des particules solides 915.2.6- Conclusion 965.3 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DU FLUIDE

DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER 965.3.1- Composition chimique des phases liquide et gazeuse 965.3.2- Charge en particules et répartition des tailles 975.4- EXPÉRIENCES D'OXYDATION 985.4.1- Essais en cellule fermée 995.4.2- Essais en ligne 1005.4.3- Conclusion5.5 - SIMULATION DE L'ÉVOLUTION CHIMIQUE DU FLUIDE

DANS LA BOUCLE GÉOTHERMALE DE MELLERAY 1055.5.1- Présentation du modèle TPDEGAZ 1055.5.2- Résultats de la modélisation 1055.6- CONCLUSIONS 106

6 - RÉFÉRENCES 108

89SGN1413E/IRG

LISTE DES FIGURES

Pages

1- Plan de situation 10

2 - Forage géothermique de Melleray 1 - Coupe technique 20

3- Forage géothermique de Melleray 2 - Coupe technique 21

4- Melleray : schéma de l'exploitation du Trias par doublet 22

5 - Diagraphie thermique du puits GMYl à l'équilibre 26

6- Schéma du système de mesure de rabattement sur le puits GMY 1 30

7- Completion du puits VR52 32

8- Schéma du principe de raccordement des deux boucles d'essais 33

9- Photographies du banc de percolation et du système de télésuivi 34

10- Photographies d'écran des synoptiques de télésuivi 36

1 1 - Schéma de principe du percolateur 37

12- Schéma du pilote de traitement d'eau 38

13- Photographies de la boucle d'essais de traitement des eaux 40

14 - Corrélations lithologiques et diagraphiques du réservoir de Melleray 42

15 - Schéma de principe du suivi pétrophysique des expériences de percolation 43

16- Photographies de lames minces de grès des Vosges 44

17 - Spectre poreux du "grès des Vosges" - Carrière du Bust (Bas-Rhin) 47

18 - Spectre de porosité de l'Aérolith 20 49

19- Système de mesure sur le percolateur 55

20- Courbes expérimentales: débit et delta Pen fonction du temps 62

2 1 - Courbes expérimentales - Température et perméabilité en fonction du temps 63

22 - Evolution de la perméabilité intrinsèque (courbes lissées) 64

23 - Spectre de porosité mercure du grès à meules 66

24 - Variation de DELTA P/L en fonction du débit 68

25 - Incidence de la température sur le DELTA P carotte 70

26 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à 30"'C (Melleray) 76

89SGNU13E/IRG

LISTE DES FIGURES

Pages

1- Plan de situation 10

2 - Forage géothermique de Melleray 1 - Coupe technique 20

3- Forage géothermique de Melleray 2 - Coupe technique 21

4- Melleray : schéma de l'exploitation du Trias par doublet 22

5 - Diagraphie thermique du puits GMYl à l'équilibre 26

6- Schéma du système de mesure de rabattement sur le puits GMY 1 30

7- Completion du puits VR52 32

8- Schéma du principe de raccordement des deux boucles d'essais 33

9- Photographies du banc de percolation et du système de télésuivi 34

10- Photographies d'écran des synoptiques de télésuivi 36

1 1 - Schéma de principe du percolateur 37

12- Schéma du pilote de traitement d'eau 38

13- Photographies de la boucle d'essais de traitement des eaux 40

14 - Corrélations lithologiques et diagraphiques du réservoir de Melleray 42

15 - Schéma de principe du suivi pétrophysique des expériences de percolation 43

16- Photographies de lames minces de grès des Vosges 44

17 - Spectre poreux du "grès des Vosges" - Carrière du Bust (Bas-Rhin) 47

18 - Spectre de porosité de l'Aérolith 20 49

19- Système de mesure sur le percolateur 55

20- Courbes expérimentales: débit et delta Pen fonction du temps 62

2 1 - Courbes expérimentales - Température et perméabilité en fonction du temps 63

22 - Evolution de la perméabilité intrinsèque (courbes lissées) 64

23 - Spectre de porosité mercure du grès à meules 66

24 - Variation de DELTA P/L en fonction du débit 68

25 - Incidence de la température sur le DELTA P carotte 70

26 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à 30"'C (Melleray) 76

89SGNU13E/IRG

Pages

27- Détente d'un prélèvement de fond de puits à 69''C (Melleray) 78

28- Comparaison de gradient de pression monophasique et diphasique 80

29 - Variations au cours du temps des paramètres chimiques du fluide de Mellerayexprimées en pourcents autour de la moyenne 88

30 - Représentation de la charge solide du fluide géothermal de Melleray enfonction de la porosité des filtres 90

31 - Distribution de la taille des particules dans le fluide géothermal de Melleray 92

32- Distribution de la charge solide du fluide de Villefranche/Cher 98

33 - Tests d'oxydation du fer 100

34 - Evolutions de la température et de la pression dans la boucle géothermaleselon deux schémas d'exploitation - Melleray 104

35 - Evolutions du degré de saturation vis-à-vis de la calciteselon deux schémas d'exploitation - Melleray 104

89SGNU13E/IRG

Pages

27- Détente d'un prélèvement de fond de puits à 69''C (Melleray) 78

28- Comparaison de gradient de pression monophasique et diphasique 80

29 - Variations au cours du temps des paramètres chimiques du fluide de Mellerayexprimées en pourcents autour de la moyenne 88

30 - Représentation de la charge solide du fluide géothermal de Melleray enfonction de la porosité des filtres 90

31 - Distribution de la taille des particules dans le fluide géothermal de Melleray 92

32- Distribution de la charge solide du fluide de Villefranche/Cher 98

33 - Tests d'oxydation du fer 100

34 - Evolutions de la température et de la pression dans la boucle géothermaleselon deux schémas d'exploitation - Melleray 104

35 - Evolutions du degré de saturation vis-à-vis de la calciteselon deux schémas d'exploitation - Melleray 104

89SGNU13E/IRG

LISTE DES TABLEAUX

Pages

1- Analyse minéralogique des prélèvements de fond dans GMYl et 2 24

2- Résultats des dénombrements bactériens dans GMYl et 2 25 .

3 - Vitesse de corrosion sur des échantillons placés dans le fluide de Melleray 28

4- Caractérisation des échantillons destinés à la percolation 46

5 - Tableau synthétique des expériences de percolation réalisées sur les sitesde Melleray et de Villefranche 60

6- Composition chimique de quelques fluides du Trias en Europe 81

7- Composition chimique de fluides du Trias du Bassin Parisien 82

8 - Composition chimique du fluide de Melleray (GMYl et GMY2) 84

9 - Résultats des deux suivis journaliers du fluide en tête du puits GMYl 86

10 - Analyses de la phase gazeuse à différents débits 89

1 1 - Valeurs calculées du point de bulle pour différents débits 90

12- Charge solide en tête de puits GMYl 90

13 - Caractéristiques comparées des particules en suspension dans le fluidede Melleray 94

14 - Analyse chimique du fluide de Villefranche-sur-Cher 97

15 - Résultats des essais de percolation sur des carottes de grèsde type Béréa Sandstone (Villefranche) 101

16 - Présentation du modèle TPDEGAZ : paramètres d'entrée et résultats fournis 1 02

89SGN1413E/IRG

LISTE DES TABLEAUX

Pages

1- Analyse minéralogique des prélèvements de fond dans GMYl et 2 24

2- Résultats des dénombrements bactériens dans GMYl et 2 25 .

3 - Vitesse de corrosion sur des échantillons placés dans le fluide de Melleray 28

4- Caractérisation des échantillons destinés à la percolation 46

5 - Tableau synthétique des expériences de percolation réalisées sur les sitesde Melleray et de Villefranche 60

6- Composition chimique de quelques fluides du Trias en Europe 81

7- Composition chimique de fluides du Trias du Bassin Parisien 82

8 - Composition chimique du fluide de Melleray (GMYl et GMY2) 84

9 - Résultats des deux suivis journaliers du fluide en tête du puits GMYl 86

10 - Analyses de la phase gazeuse à différents débits 89

1 1 - Valeurs calculées du point de bulle pour différents débits 90

12- Charge solide en tête de puits GMYl 90

13 - Caractéristiques comparées des particules en suspension dans le fluidede Melleray 94

14 - Analyse chimique du fluide de Villefranche-sur-Cher 97

15 - Résultats des essais de percolation sur des carottes de grèsde type Béréa Sandstone (Villefranche) 101

16 - Présentation du modèle TPDEGAZ : paramètres d'entrée et résultats fournis 1 02

89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

RÉSUME

Après les résultats favorables obtenus dans l'exploitation de l'aquifère géothermique du

Dogger du Bassin de Paris, on a essayé d'exploiter les eaux chaudes des grès du Trias.

Son extension et son niveau de température en faisaient une cible très prometteuse pour les

maîtres d'ouvrages.

Cependant, à Achères (Yvelines), Cergy (Val d'Oise) et Melleray - St Denis en Val (Loiret)

les difficultés rencontrées particulièrement dans les essais de réinjection des saumures

géothermales après extraction de la chaleur ont conduit la CCE, l'AFME et le BRGM à financer un

programme de recherche en vue de :

- comprendre les facteurs limitant l'injectivité dans les aquifères argilo-gréseux,

- définir des conditions perennes d'exploitation par doublets de forage.

L'équipe de recherche de l'IMRG a entrepris des expérimentations de percolation de fluide

géothermal à travers des carottes de matériaux artificiels et de grès naturels plus ou moins

argileux.

Ces expériences ont été conduites sur les sites de Melleray et de Villefranche-sur-Cher dans

une boucle expérimentale spécialement conçue pour être déplacée sur chantiers.

Ces investigations qui ont porté sur :

- la pétrologie et la porologie des matériaux avant et après percolation,

- le suivi de l'évolution de la perméabilité des matériaux,

- la caractérisation chimique des phases liquide et gazeuse du fluide de percolation et des

particules en suspension,

ont permis de définir un protocole de traitement du fluide géothermal préalable à sa

réinjection dans l'aquifère.

REMERCIEMENTS

Les travaux de recherche des programmes Trias ont pu être réalisés grâce au concours de

M. Brach, A. Menjoz, D. Robelin et P. Marteau. Les auteurs remercient les organismes qui ont

financé ces études : l'AFME, le BRGM et la CCE (DG XII) par le contrat n° EN3 G-0 006-F (CD),

ainsi que Gaz de France qui a mis à leur disposition le site VR52 de Villefranche.

89SGX1413E/IRG

RAPPORT FINAL

RÉSUME

Après les résultats favorables obtenus dans l'exploitation de l'aquifère géothermique du

Dogger du Bassin de Paris, on a essayé d'exploiter les eaux chaudes des grès du Trias.

Son extension et son niveau de température en faisaient une cible très prometteuse pour les

maîtres d'ouvrages.

Cependant, à Achères (Yvelines), Cergy (Val d'Oise) et Melleray - St Denis en Val (Loiret)

les difficultés rencontrées particulièrement dans les essais de réinjection des saumures

géothermales après extraction de la chaleur ont conduit la CCE, l'AFME et le BRGM à financer un

programme de recherche en vue de :

- comprendre les facteurs limitant l'injectivité dans les aquifères argilo-gréseux,

- définir des conditions perennes d'exploitation par doublets de forage.

L'équipe de recherche de l'IMRG a entrepris des expérimentations de percolation de fluide

géothermal à travers des carottes de matériaux artificiels et de grès naturels plus ou moins

argileux.

Ces expériences ont été conduites sur les sites de Melleray et de Villefranche-sur-Cher dans

une boucle expérimentale spécialement conçue pour être déplacée sur chantiers.

Ces investigations qui ont porté sur :

- la pétrologie et la porologie des matériaux avant et après percolation,

- le suivi de l'évolution de la perméabilité des matériaux,

- la caractérisation chimique des phases liquide et gazeuse du fluide de percolation et des

particules en suspension,

ont permis de définir un protocole de traitement du fluide géothermal préalable à sa

réinjection dans l'aquifère.

REMERCIEMENTS

Les travaux de recherche des programmes Trias ont pu être réalisés grâce au concours de

M. Brach, A. Menjoz, D. Robelin et P. Marteau. Les auteurs remercient les organismes qui ont

financé ces études : l'AFME, le BRGM et la CCE (DG XII) par le contrat n° EN3 G-0 006-F (CD),

ainsi que Gaz de France qui a mis à leur disposition le site VR52 de Villefranche.

89SGX1413E/IRG

CO.N'TRAT TRIAS

[pnp.tud. [lîl I* pi C'ff.Mifh

Figure 1 - Plan de situation (d'après "Atlas of Geothermal Resources

in the European Community" - R. Haenel and E. Staroste Ed. (C.E.E. - 1988)

10 89SG.\U13E/IRG

CO.N'TRAT TRIAS

[pnp.tud. [lîl I* pi C'ff.Mifh

Figure 1 - Plan de situation (d'après "Atlas of Geothermal Resources

in the European Community" - R. Haenel and E. Staroste Ed. (C.E.E. - 1988)

10 89SG.\U13E/IRG

RAPPORT FI.N'AL

1 - CONTEXTE GENERAL ET PRESENTATIONDU PROJET

1.1- HISTORIQUE DE L'EXPLOITATION DU RÉSERVOIRDU TRIAS EN FRANCE

Des raisons d'ordre énergétique ont conduit à envisager l'exploitation du réservoir du Trias

après la réussite des toutes premières opérations réalisées au Dogger.

Melun l'Almont réalisé en 1971, puis Creil en 1974 avaient permis de démontrer la

faisabilité énergétique des opérations de géothermie, par doublet de forages, au Dogger dans le

Bassin Parisien.

Le Trias, moins bien connu, présentait un aquifère particulièrement intéressant. Plus

étendu et plus chaud que le Dogger son potentiel énergétique est nettement plus important. De

plus, les réservoirs argilo-gréseux sont plus nombreux et d'une superficie plus importante en

Europe que les réservoirs calcaires de type Dogger.

Ces considérations ont conduit au lancement des opérations de Cergy-Pontoise, de Melleray

et d'Achères, afin d'exploiter le Trias.

Ces opérations ont démontré la difficulté d'appliquer, sans adaptation, les solutions

techniques valables au Dogger.

En particulier, le réservoir du Trias, à perméabilité de matrice (par opposition au Dogger à

perméabilité de fracture) à un comportement dissymétrique : bon producteur, il peut se révéler

mauvais à l'injection en l'absence de tout traitement du réservoir et/ou du fluide.

Les forages qui captent le réservoir du Trias dans le Bassin Parisien, et qui sont cités dans

cette étude, figurent sur la figure 1.

89SGN1413E/IRG 11

RAPPORT FI.N'AL

1 - CONTEXTE GENERAL ET PRESENTATIONDU PROJET

1.1- HISTORIQUE DE L'EXPLOITATION DU RÉSERVOIRDU TRIAS EN FRANCE

Des raisons d'ordre énergétique ont conduit à envisager l'exploitation du réservoir du Trias

après la réussite des toutes premières opérations réalisées au Dogger.

Melun l'Almont réalisé en 1971, puis Creil en 1974 avaient permis de démontrer la

faisabilité énergétique des opérations de géothermie, par doublet de forages, au Dogger dans le

Bassin Parisien.

Le Trias, moins bien connu, présentait un aquifère particulièrement intéressant. Plus

étendu et plus chaud que le Dogger son potentiel énergétique est nettement plus important. De

plus, les réservoirs argilo-gréseux sont plus nombreux et d'une superficie plus importante en

Europe que les réservoirs calcaires de type Dogger.

Ces considérations ont conduit au lancement des opérations de Cergy-Pontoise, de Melleray

et d'Achères, afin d'exploiter le Trias.

Ces opérations ont démontré la difficulté d'appliquer, sans adaptation, les solutions

techniques valables au Dogger.

En particulier, le réservoir du Trias, à perméabilité de matrice (par opposition au Dogger à

perméabilité de fracture) à un comportement dissymétrique : bon producteur, il peut se révéler

mauvais à l'injection en l'absence de tout traitement du réservoir et/ou du fluide.

Les forages qui captent le réservoir du Trias dans le Bassin Parisien, et qui sont cités dans

cette étude, figurent sur la figure 1.

89SGN1413E/IRG 11

CO.VTRAT TRIAS

1.2 - DESCRIPTION DES OPÉRATIONS RÉALISÉES

1.2.1 - Cergy-Pontoise

L'opération de Cergy, au Nord-Ouest de Paris, comme celle de Melleray, qui lui est

contemporaine, devait utiliser le réservoir géothermique du Trias.

Le premier puits (GCYl), foré de mars à avril 1980, jusqu'à une profondeur de 1997 m a

permis de tester le Trias. Si la température du réservoir s'est révélée relativement élevée (77°C), la

productivité, par contre, était plutôt faible. Les mesures réalisées ne permettaient pas d'envisager

un débit d'exploitation supérieur à 70 m3/h.

Le second puits (GCY2) a été foré au Dogger. Celui-ci, atteint aux environs de 1500 m,

s'est révélé bon producteur avec un débit envisageable, en e.xploitation, de l'ordre de 200 m3/h et

une température de l'ordre de 55°C.

La décision a alors été prise d'exploiter le Dogger de préférence au Trias. Le forage GCYl

a été repris en "side-track" (du 1er au 14 mars 1981) pour capter le Dogger. Le doublet a été mis en

exploitation en juillet 1982 pour chauffer 2800 logements.

1.2.2 - Melleray

Le domaine des serres de Melleray est situé à proximité d'Orléans, au sud de la Loire ; il

comprend 17 hectares de serres horticoles et maraîchères. L'analyse géologique avait révélé des

incertitudes importantes concernant la productivité du Dogger, ce qui a orienté le choix vers le

Trias. Le premier forage GMYl a été réalisé entre la fin novembre 1979 et le début février 1980.

Les essais ayant révélé une bonne ressource en débit et en température (74°C au niveau du

réservoir), le second puits a été réalisé du début novembre 1980 au début décembre 1980. Le Trias

a été capté entre 1400 m et 1600 m.

1.2.3 - Achères

Lorsque l'opération d'Achères, qui s'était fixé le Trias comme objectif, a été décidée, les

problèmes rencontrés à Cergy (faible productivité) et à Melleray (diiTicultés d'injection) étaient

connus.

12 89SGN1413E/IRG

CO.VTRAT TRIAS

1.2 - DESCRIPTION DES OPÉRATIONS RÉALISÉES

1.2.1 - Cergy-Pontoise

L'opération de Cergy, au Nord-Ouest de Paris, comme celle de Melleray, qui lui est

contemporaine, devait utiliser le réservoir géothermique du Trias.

Le premier puits (GCYl), foré de mars à avril 1980, jusqu'à une profondeur de 1997 m a

permis de tester le Trias. Si la température du réservoir s'est révélée relativement élevée (77°C), la

productivité, par contre, était plutôt faible. Les mesures réalisées ne permettaient pas d'envisager

un débit d'exploitation supérieur à 70 m3/h.

Le second puits (GCY2) a été foré au Dogger. Celui-ci, atteint aux environs de 1500 m,

s'est révélé bon producteur avec un débit envisageable, en e.xploitation, de l'ordre de 200 m3/h et

une température de l'ordre de 55°C.

La décision a alors été prise d'exploiter le Dogger de préférence au Trias. Le forage GCYl

a été repris en "side-track" (du 1er au 14 mars 1981) pour capter le Dogger. Le doublet a été mis en

exploitation en juillet 1982 pour chauffer 2800 logements.

1.2.2 - Melleray

Le domaine des serres de Melleray est situé à proximité d'Orléans, au sud de la Loire ; il

comprend 17 hectares de serres horticoles et maraîchères. L'analyse géologique avait révélé des

incertitudes importantes concernant la productivité du Dogger, ce qui a orienté le choix vers le

Trias. Le premier forage GMYl a été réalisé entre la fin novembre 1979 et le début février 1980.

Les essais ayant révélé une bonne ressource en débit et en température (74°C au niveau du

réservoir), le second puits a été réalisé du début novembre 1980 au début décembre 1980. Le Trias

a été capté entre 1400 m et 1600 m.

1.2.3 - Achères

Lorsque l'opération d'Achères, qui s'était fixé le Trias comme objectif, a été décidée, les

problèmes rencontrés à Cergy (faible productivité) et à Melleray (diiTicultés d'injection) étaient

connus.

12 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FI.N'AL

L'opération de test du Trias s'est déroulée en plusieurs phases :

- réalisation et essais de production du premier puits (Al) au Trias : janvier-mai 1982,

- essais de réinjection sur Al : juin 1982,

- réalisation et essais de production du deuxième puits (A2) au Trias : juin-août 1982,

- pose d'un bouchon de ciment et perforations au niveau du Dogger sur chacun des puits.

Le Trias, capté au delà de 1900 m, a révélé une meilleure température que le Dogger

(78°C contre 56''C) mais un débit nettement moins important de l'ordre de 25 m3/h en artésien pour

le Trias contre 160 à plus de 200 m3/h pour le Dogger.

La meilleure productivité du Dogger, jointe à la perspective de problème de réinjection,

ont conduit à préférer le Dogger au Trias.

1.3- DESCRIPTION DES PROBLÈMES DE RÉINJECTIONDE MELLERAY

1.3.1 - Contexte de l'exploitation géothermique à Melleray

L'opération de Melleray présentait des facteurs d'innovations aussi bien au plan

technique qu'organisationnel.

Techniquement l'innovation concerne les deux aspects : production et exploitation de la

chaleur géothermale.

L'utilisation d'un nouveau réservoir, au potentiel énergétique très important, présentait

un intérêt fondamental pour la géothermie notamment dans cette zone où le Dogger n'est pas

producteur.

L'utilisation de la chaleur dans des serres, avec la mise en oeuvre d'une conception

originale de la distribution de chaleur comportant un stockage thermique dans deux cuves,

permettait d'élargir le champ d'utilisation de la géothermie cantonnée, jusque là, au seul

chauffage urbain.

Pour la réalisation de l'opération il a été nécessaire de fédérer les différents exploitants

des serres dans un Groupement d'Intérêt Economique : le GIE Géoval, qui a été le maître

d'ouvrage de l'opération. Ce type d'organisation a eu une incidence sur la gestion du projet.

Les membres du GIE étant solidairement et indéfiniment responsables, les décisions

d'ordres techniques (avec une incidence économique) concernant le projet ont souvent été

précédées de discussions assez longues . Ces délais ont pu avoir des répercussions sur les pertes

89SGN1413E/IRG 13

RAPPORT FI.N'AL

L'opération de test du Trias s'est déroulée en plusieurs phases :

- réalisation et essais de production du premier puits (Al) au Trias : janvier-mai 1982,

- essais de réinjection sur Al : juin 1982,

- réalisation et essais de production du deuxième puits (A2) au Trias : juin-août 1982,

- pose d'un bouchon de ciment et perforations au niveau du Dogger sur chacun des puits.

Le Trias, capté au delà de 1900 m, a révélé une meilleure température que le Dogger

(78°C contre 56''C) mais un débit nettement moins important de l'ordre de 25 m3/h en artésien pour

le Trias contre 160 à plus de 200 m3/h pour le Dogger.

La meilleure productivité du Dogger, jointe à la perspective de problème de réinjection,

ont conduit à préférer le Dogger au Trias.

1.3- DESCRIPTION DES PROBLÈMES DE RÉINJECTIONDE MELLERAY

1.3.1 - Contexte de l'exploitation géothermique à Melleray

L'opération de Melleray présentait des facteurs d'innovations aussi bien au plan

technique qu'organisationnel.

Techniquement l'innovation concerne les deux aspects : production et exploitation de la

chaleur géothermale.

L'utilisation d'un nouveau réservoir, au potentiel énergétique très important, présentait

un intérêt fondamental pour la géothermie notamment dans cette zone où le Dogger n'est pas

producteur.

L'utilisation de la chaleur dans des serres, avec la mise en oeuvre d'une conception

originale de la distribution de chaleur comportant un stockage thermique dans deux cuves,

permettait d'élargir le champ d'utilisation de la géothermie cantonnée, jusque là, au seul

chauffage urbain.

Pour la réalisation de l'opération il a été nécessaire de fédérer les différents exploitants

des serres dans un Groupement d'Intérêt Economique : le GIE Géoval, qui a été le maître

d'ouvrage de l'opération. Ce type d'organisation a eu une incidence sur la gestion du projet.

Les membres du GIE étant solidairement et indéfiniment responsables, les décisions

d'ordres techniques (avec une incidence économique) concernant le projet ont souvent été

précédées de discussions assez longues . Ces délais ont pu avoir des répercussions sur les pertes

89SGN1413E/IRG 13

CO.N'TRAT TRIAS

d'exploitation (consommation de fuel au lieu de la chaleur géothermique sur une période plus

importante que celle qui était prévisible) donc sur l'économie générale du projet.

1.3.2 - Les problèmes particuliers liés à la réinjection

L'opération de Melleray a connu de nombreux problèmes, dès le début de l'exploitation, la

plupart liés à des pannes des pompes de production. Ces pannes ont masqué, dans un premier

temps, les problèmes d'injection, également minimisés par des difficultés de mesure des débits en

régime diphasique.

En fait, il semble que le débit maximum injecté n'ait pas dépassé 110 à 120 m3/h avec une

pression de 58 bars en tête de puits, au début 1982 sur les 150 m3/h initialement prévus.

Des essais, financés par l'AFME et la CEE (DGXII), ont été réalisés en mai et juin 1982

pour essayer d'analyser les problèmes de réinjection du puits GMY2. Les essais de production ont

montré que le puits n'était pas dégradé et qu'il avait conservé les caractéristiques mesurées en fin

de sondage.

1.3.3 - Les essais de mai 1982 financés par la CEE (DGXII)

Les montées de pression enregistrées en aval de la pompe de réinjection, avaient fait

craindre à un possible colmatage du réservoir. Cette h>'pothèse a été infirmée par des essais de

production de GMY2 financés par l'AFME.

Pour approfondir la compréhension des phénomènes un essai d'injection a été demandé

par la CCE (GDXII). Celui-ci a révélé un comportement énigmatique du réservoir. Ce

comportement se traduit par une baisse importante et rapide de l'index d'injectivité. Pour rendre

compte de ce phénomène brutal et dissymétrique on a parlé à l'époque d'un effet de clapet

apparaissant lorsque le débit d'injection devenait supérieur au débit artésien.

Par la suite si on teste le réservoir en production celui-ci ne présente pas de symptômes

d'un colmatage permanent.

14 89SGN1413E/IRG

CO.N'TRAT TRIAS

d'exploitation (consommation de fuel au lieu de la chaleur géothermique sur une période plus

importante que celle qui était prévisible) donc sur l'économie générale du projet.

1.3.2 - Les problèmes particuliers liés à la réinjection

L'opération de Melleray a connu de nombreux problèmes, dès le début de l'exploitation, la

plupart liés à des pannes des pompes de production. Ces pannes ont masqué, dans un premier

temps, les problèmes d'injection, également minimisés par des difficultés de mesure des débits en

régime diphasique.

En fait, il semble que le débit maximum injecté n'ait pas dépassé 110 à 120 m3/h avec une

pression de 58 bars en tête de puits, au début 1982 sur les 150 m3/h initialement prévus.

Des essais, financés par l'AFME et la CEE (DGXII), ont été réalisés en mai et juin 1982

pour essayer d'analyser les problèmes de réinjection du puits GMY2. Les essais de production ont

montré que le puits n'était pas dégradé et qu'il avait conservé les caractéristiques mesurées en fin

de sondage.

1.3.3 - Les essais de mai 1982 financés par la CEE (DGXII)

Les montées de pression enregistrées en aval de la pompe de réinjection, avaient fait

craindre à un possible colmatage du réservoir. Cette h>'pothèse a été infirmée par des essais de

production de GMY2 financés par l'AFME.

Pour approfondir la compréhension des phénomènes un essai d'injection a été demandé

par la CCE (GDXII). Celui-ci a révélé un comportement énigmatique du réservoir. Ce

comportement se traduit par une baisse importante et rapide de l'index d'injectivité. Pour rendre

compte de ce phénomène brutal et dissymétrique on a parlé à l'époque d'un effet de clapet

apparaissant lorsque le débit d'injection devenait supérieur au débit artésien.

Par la suite si on teste le réservoir en production celui-ci ne présente pas de symptômes

d'un colmatage permanent.

14 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

1.4 - PRÉSENTATION DES ESSAIS RÉALISÉS À ACHÈRES

Les difllcultés rencontrées à Melleray avaient alerté le Comité Géothermie de l'AFME,

qui avait demandé que des essais soient conduits sur Achères afin d'appréhender les problèmes

liés à l'injection dans le réservoir du Trias (débit et pression d'injection du fluide géothermal

refroidi à un niveau comparable à celui de l'exploitation future).

Ces essais ont été réalisés sur le premier puits (Al) en utilisant un stockage superficiel.

Ils consistaient à stocker, en surface, un volume significatif de fluide géothermal (correspondant à

plusieurs jours de débit artésien) puis à injecter ce volume à un débit donné pour mesurer la

pression d'injection. Dans un premier temps, il avait été envisagé de stocker le fluide géothermal à

l'air libre mais les précipitations d'hydroxyde ferrique et les risques encourus au niveau du

réservoir par le mélange avec une eau oxygénée ont conduit à réaliser le stockage dans une bâche

étanche à l'abri de l'air.

Les conditions de réalisation de l'essai ont été difiiciles. Il n'a pas été possible de réaliser

l'essai à débit stabilisé : celui-ci a fluctué de 125 à 180 m3/h. Pour un débit de 135 m3/h à 31*C en

tête la pression était de 73 kg/cm2.

Caractéristiques du fluide géothermal du Trias à Achères

Caractéristiques de puits

Pression en tête ( kg/cm2)

Débit artésien ( m3/h)

Débit en air lift ( m3/h)

Température de fond (°C)

Transmissivité (D.m)

Salinité totale (gA)

Puits

Al

4à5

45

128

78

10,83

94

A2

5

23

90

78

11,2

94

Point de bulle : 14 bars à 76°CGLR : 0,34 m3/m3

89 SGN 141 3E/IRG 15

RAPPORT FINAL

1.4 - PRÉSENTATION DES ESSAIS RÉALISÉS À ACHÈRES

Les difllcultés rencontrées à Melleray avaient alerté le Comité Géothermie de l'AFME,

qui avait demandé que des essais soient conduits sur Achères afin d'appréhender les problèmes

liés à l'injection dans le réservoir du Trias (débit et pression d'injection du fluide géothermal

refroidi à un niveau comparable à celui de l'exploitation future).

Ces essais ont été réalisés sur le premier puits (Al) en utilisant un stockage superficiel.

Ils consistaient à stocker, en surface, un volume significatif de fluide géothermal (correspondant à

plusieurs jours de débit artésien) puis à injecter ce volume à un débit donné pour mesurer la

pression d'injection. Dans un premier temps, il avait été envisagé de stocker le fluide géothermal à

l'air libre mais les précipitations d'hydroxyde ferrique et les risques encourus au niveau du

réservoir par le mélange avec une eau oxygénée ont conduit à réaliser le stockage dans une bâche

étanche à l'abri de l'air.

Les conditions de réalisation de l'essai ont été difiiciles. Il n'a pas été possible de réaliser

l'essai à débit stabilisé : celui-ci a fluctué de 125 à 180 m3/h. Pour un débit de 135 m3/h à 31*C en

tête la pression était de 73 kg/cm2.

Caractéristiques du fluide géothermal du Trias à Achères

Caractéristiques de puits

Pression en tête ( kg/cm2)

Débit artésien ( m3/h)

Débit en air lift ( m3/h)

Température de fond (°C)

Transmissivité (D.m)

Salinité totale (gA)

Puits

Al

4à5

45

128

78

10,83

94

A2

5

23

90

78

11,2

94

Point de bulle : 14 bars à 76°CGLR : 0,34 m3/m3

89 SGN 141 3E/IRG 15

CO.NTR.'VT TRIAS

1.5- DESCRIPTION DES OBJECTIFS DE RECHERCHE DEL'IMRG CONCERNANT LE TRIAS

1.5.1 - Analyse exhaustive des causes et des effets

Les premières hj-pothèses émises pour expliquer les problèmes de réinjection faisaient

intervenir des particules d'argile venant obturer les pores de la matrice gréseuse du réservoir.

Cependant les essais de filtration n'ont jamais permis de corroborer cette hj-pothèse : les particules

d'argile retrouvées sur les flltres étant en trop faible quantité pour expliquer le blocage observé à

la réinjection.

Il est apparu nécessaire de dresser une liste exhaustive de toutes les causes possibles afin

d'efl'ectuer une investigation systématique de chacune d'elle, étant entendu que dans la réalité

plusieurs d'entre elles peuvent se combiner pour accentuer le phénomène.

Ces causes se classent en deux catégories : celles qui sont intrinsèques à l'aquifère et

celles qui résultent de l'exploitation du fluide géothermal.

Les causes intrinsèques de diflicultés à l'injection tiennent à la géométrie des pores des

grès argileux du Trias et aux particules plus ou moins mobilisables qui les tapissent. Il convient de

garder à l'esprit que les niveaux producteurs ne représentent qu'une fraction infime (1 à 2 %) de

l'épaisseur totale du réservoir ce qui induit des vitesses d'écoulement importantes, en bord de

trou ; la vitesse, et donc l'énergie, des filets fluides décroît ensuite très rapidement dans la

direction radiale.

Les causes liées à l'exploitation sont multiples :

- colmatage par des bulles de gaz et augmentation de pression due à l'allégement de la

colonne diphasique ;

- précipitations dues au dégazage et aux variations des paramètres physiques (pression-

température).

Il existe bien sûr d'autres causes de colmatage mais dont les efí"ets sont moins brutaux

(développements bactériens).

16 89SGN1413E/IRG

CO.NTR.'VT TRIAS

1.5- DESCRIPTION DES OBJECTIFS DE RECHERCHE DEL'IMRG CONCERNANT LE TRIAS

1.5.1 - Analyse exhaustive des causes et des effets

Les premières hj-pothèses émises pour expliquer les problèmes de réinjection faisaient

intervenir des particules d'argile venant obturer les pores de la matrice gréseuse du réservoir.

Cependant les essais de filtration n'ont jamais permis de corroborer cette hj-pothèse : les particules

d'argile retrouvées sur les flltres étant en trop faible quantité pour expliquer le blocage observé à

la réinjection.

Il est apparu nécessaire de dresser une liste exhaustive de toutes les causes possibles afin

d'efl'ectuer une investigation systématique de chacune d'elle, étant entendu que dans la réalité

plusieurs d'entre elles peuvent se combiner pour accentuer le phénomène.

Ces causes se classent en deux catégories : celles qui sont intrinsèques à l'aquifère et

celles qui résultent de l'exploitation du fluide géothermal.

Les causes intrinsèques de diflicultés à l'injection tiennent à la géométrie des pores des

grès argileux du Trias et aux particules plus ou moins mobilisables qui les tapissent. Il convient de

garder à l'esprit que les niveaux producteurs ne représentent qu'une fraction infime (1 à 2 %) de

l'épaisseur totale du réservoir ce qui induit des vitesses d'écoulement importantes, en bord de

trou ; la vitesse, et donc l'énergie, des filets fluides décroît ensuite très rapidement dans la

direction radiale.

Les causes liées à l'exploitation sont multiples :

- colmatage par des bulles de gaz et augmentation de pression due à l'allégement de la

colonne diphasique ;

- précipitations dues au dégazage et aux variations des paramètres physiques (pression-

température).

Il existe bien sûr d'autres causes de colmatage mais dont les efí"ets sont moins brutaux

(développements bactériens).

16 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

1.5.2 - Recherche de procédés préventifs ou curatifs

En même temps que l'analyse des causes possibles du colmatage, les moyens de s'en

prémunir étaient recherchés :

- moyens d'éliminer ou de bloquer les particules existant dans les pores,

- conditions d'un dégazage contrôlé et d'une élimination, ou d'une neutralisation, des

espèces susceptibles de précipiter.

Les difí'érentes analyses ont été rendues possibles par la mise en oeuvre de moyens

expérimentaux importants. Ceux-ci ont comporté des mesures et des essais sur le site de Melleray

(sur GMYl et GMY2) et en laboratoire et la mise en oeuvre de pilotes à échelles réduites.

1.6- PART DU PROGRAMME DE RECHERCHE SOUTENUPAR LA CCE

1.6.1 - Rappel du programme initial (convention EN3G-0006-F(CD))

Le programme de recherche de l'IMRG sur la réinjection dans les formations argilo-

gréseuses a commencé en 1983. Lorsque le cofinancement de la CCE a été recherché, en 1985, le

programme était largement engagé. Les moyens complémentaires qui ont été obtenus ont permis

d'accentuer l'effort entrepris.

Le programme, qui a fait l'objet de la demande de financement à la communauté,

comportait deux phases.

La première phase, plus analytique, visait à approfondir, sur le site de Melleray, la

connaissance du réservoir, du fluide du Trias, et de son comportement en écoulement. Pour cela, il

a été notamment réalisé une unité pilote de filtration-corrosion et un percolateur à grande vitesse

et haute pression permettant d'approcher les conditions réelles de l'écoulement en fond de puits

(voir le descriptif au chapitre 2.3). Ces deux appareils, placés sous monitoring informatique,

utilisaient le fluide géothermal d'une dérivation du circuit principal de Melleray. D'autres

appareillages (limnigraphe à azote) et une série de mesures analytiques (filtrations, analyses

chimiques du fluide à différents débits) venaient compléter le dispositif général.

L'acquis de la première phase devait permettre de définir et de mettre en oeuvre un

programme de traitement, réalisé sur un pilote à échelle réduite (voir le descriptif au chapitre 2.4).

Celui-ci, couplé au percolateur, devait servir à valider les traitements à mettre en oeuvre.

89SG.\1413E/IRG 17

RAPPORT FINAL

1.5.2 - Recherche de procédés préventifs ou curatifs

En même temps que l'analyse des causes possibles du colmatage, les moyens de s'en

prémunir étaient recherchés :

- moyens d'éliminer ou de bloquer les particules existant dans les pores,

- conditions d'un dégazage contrôlé et d'une élimination, ou d'une neutralisation, des

espèces susceptibles de précipiter.

Les difí'érentes analyses ont été rendues possibles par la mise en oeuvre de moyens

expérimentaux importants. Ceux-ci ont comporté des mesures et des essais sur le site de Melleray

(sur GMYl et GMY2) et en laboratoire et la mise en oeuvre de pilotes à échelles réduites.

1.6- PART DU PROGRAMME DE RECHERCHE SOUTENUPAR LA CCE

1.6.1 - Rappel du programme initial (convention EN3G-0006-F(CD))

Le programme de recherche de l'IMRG sur la réinjection dans les formations argilo-

gréseuses a commencé en 1983. Lorsque le cofinancement de la CCE a été recherché, en 1985, le

programme était largement engagé. Les moyens complémentaires qui ont été obtenus ont permis

d'accentuer l'effort entrepris.

Le programme, qui a fait l'objet de la demande de financement à la communauté,

comportait deux phases.

La première phase, plus analytique, visait à approfondir, sur le site de Melleray, la

connaissance du réservoir, du fluide du Trias, et de son comportement en écoulement. Pour cela, il

a été notamment réalisé une unité pilote de filtration-corrosion et un percolateur à grande vitesse

et haute pression permettant d'approcher les conditions réelles de l'écoulement en fond de puits

(voir le descriptif au chapitre 2.3). Ces deux appareils, placés sous monitoring informatique,

utilisaient le fluide géothermal d'une dérivation du circuit principal de Melleray. D'autres

appareillages (limnigraphe à azote) et une série de mesures analytiques (filtrations, analyses

chimiques du fluide à différents débits) venaient compléter le dispositif général.

L'acquis de la première phase devait permettre de définir et de mettre en oeuvre un

programme de traitement, réalisé sur un pilote à échelle réduite (voir le descriptif au chapitre 2.4).

Celui-ci, couplé au percolateur, devait servir à valider les traitements à mettre en oeuvre.

89SG.\1413E/IRG 17

CONTRAT TRIAS

Une troisième phase, de démonstration, était également prévue ultérieurement. Les

difí'érentes solutions qui se seraient dégagées pendant les phases précédentes auraient fait l'objet

d'expérimentations, en vraie grandeur et sur de longues durées.

1.6.2 - Présentation du programme réalisé

Le programme réalisé correspond exactement aux prévisions en ce qui concerne la

première phase. Pour la seconde, pour des raisons externes au programme scientifique, il a été

nécessaire de changer de site et de réaliser la fin des expérimentations à Villefranche-sur-Cher.

Un contentieux juridique s'est développé entre le GIE Géoval et certains intervenants

techniques, dont le BRGM. Cette situation a conduit au retrait de l'IMRG du site de Melleray dès

le 4 mai 1987.

La poursuite des expérimentations s'est déroulée sur le site de Villefranche-sur-Cher où

des puits aux Trias, réalisés par Gaz de France, étaient disponibles.

C'est donc sur ce nouveau site que la mise en série du pilote de traitement d'eau et du

percolateur a été réalisée, l'ensemble du programme ayant dû subir un retard significatif.

18 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Une troisième phase, de démonstration, était également prévue ultérieurement. Les

difí'érentes solutions qui se seraient dégagées pendant les phases précédentes auraient fait l'objet

d'expérimentations, en vraie grandeur et sur de longues durées.

1.6.2 - Présentation du programme réalisé

Le programme réalisé correspond exactement aux prévisions en ce qui concerne la

première phase. Pour la seconde, pour des raisons externes au programme scientifique, il a été

nécessaire de changer de site et de réaliser la fin des expérimentations à Villefranche-sur-Cher.

Un contentieux juridique s'est développé entre le GIE Géoval et certains intervenants

techniques, dont le BRGM. Cette situation a conduit au retrait de l'IMRG du site de Melleray dès

le 4 mai 1987.

La poursuite des expérimentations s'est déroulée sur le site de Villefranche-sur-Cher où

des puits aux Trias, réalisés par Gaz de France, étaient disponibles.

C'est donc sur ce nouveau site que la mise en série du pilote de traitement d'eau et du

percolateur a été réalisée, l'ensemble du programme ayant dû subir un retard significatif.

18 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FI.VAL

2 - LES ASPECTS TECHNOLOGIQUES

2.1 - SITE DE MELLERAY

2.1.1 - Données techniques du sous-sol

Les forages de cette exploitation ont été réalisés en décembre 1979 et novembre 1980,

respectivement pour la production et la réinjection du fluide géothermal du Trias. Les coupes

techniques de ces deux forages sont présentées en figures 2 et 3 avec les profondeurs et surtout la

géométrie des casings.

Puits de production en 9"5/8, 40 Ib/ft (diamètre intérieur 224,4 mm) avec 300 m de

chambre de pompage 13" 3/8, 54.5 Ib/ñ (diamètre intérieur 320.4 mm) et 200 m de crépine 6"

5/8 (slot 0.8 mm). Puits non dévié.

Puits de réinjectîon en 7", 26 Ib/ft (diamètre intérieur 159.4 mm) et 200 m de crépine 4"l/2

(slot 0.8 mm). Puits dévié (maximum 23*25).

Les casings sont en acier au carbone API K55 et les crépines en acier inoxydable AISI 316 L.

Le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques de réservoir des puits GMYl

(producteur) et GMY2 (injecteur) mesurées et calculées à partir des tests hydrauliques de fin de

sondage.

Hauteur productrice

Porosité moyenne

Température au toit duréservoir

Viscosité moyenne

Salinité moyenne

Perméabilité intrinsèque

Transmissivité

Skin

Pression artésiennepotentielle en tête de puits

GMYl

13m

15%

73,9''C

0,42 cp

38,4 g/1

0,43 D

15,47 Dm

-1- 2.5

6,36 bars

GMY2

11m

17%

73°C

0,41 cp

38 g/1

0,44 D

13,2 Dm

5 bars

89SGN1413E/IRG 19

RAPPORT FI.VAL

2 - LES ASPECTS TECHNOLOGIQUES

2.1 - SITE DE MELLERAY

2.1.1 - Données techniques du sous-sol

Les forages de cette exploitation ont été réalisés en décembre 1979 et novembre 1980,

respectivement pour la production et la réinjection du fluide géothermal du Trias. Les coupes

techniques de ces deux forages sont présentées en figures 2 et 3 avec les profondeurs et surtout la

géométrie des casings.

Puits de production en 9"5/8, 40 Ib/ft (diamètre intérieur 224,4 mm) avec 300 m de

chambre de pompage 13" 3/8, 54.5 Ib/ñ (diamètre intérieur 320.4 mm) et 200 m de crépine 6"

5/8 (slot 0.8 mm). Puits non dévié.

Puits de réinjectîon en 7", 26 Ib/ft (diamètre intérieur 159.4 mm) et 200 m de crépine 4"l/2

(slot 0.8 mm). Puits dévié (maximum 23*25).

Les casings sont en acier au carbone API K55 et les crépines en acier inoxydable AISI 316 L.

Le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques de réservoir des puits GMYl

(producteur) et GMY2 (injecteur) mesurées et calculées à partir des tests hydrauliques de fin de

sondage.

Hauteur productrice

Porosité moyenne

Température au toit duréservoir

Viscosité moyenne

Salinité moyenne

Perméabilité intrinsèque

Transmissivité

Skin

Pression artésiennepotentielle en tête de puits

GMYl

13m

15%

73,9''C

0,42 cp

38,4 g/1

0,43 D

15,47 Dm

-1- 2.5

6,36 bars

GMY2

11m

17%

73°C

0,41 cp

38 g/1

0,44 D

13,2 Dm

5 bars

89SGN1413E/IRG 19

CONTRAT TRIAS

FORAGE GEOTHERMIQUE DE MELLERAY 1

COUPE TECHNIQUE

Tubage 24"-

Forage 22"

Tubage 18 5/8"^ 9Í20 5?^ÉI

Forage 17 1/2

Tubage 13 3/8

Forage 12 1/4-

Tubage 9 5/8

Forage 8 1/2-

Crépines 6 5/8

3^1I

ii

Í

141620 m

I6I5J0

I

n

p

I299.69

Tertiaire

Crétacésupérieur

1617

Crétacéinférieur

Jurassiquesupérieur

Jurassiquemoyen

Jurassiqueinférieur

Trias

95

385

512

1055

1250

1437

1616

Figure 2 - Forage géothermique de Melleray 1 - Coupe technique

20 89SGNU13E/IRG

CONTRAT TRIAS

FORAGE GEOTHERMIQUE DE MELLERAY 1

COUPE TECHNIQUE

Tubage 24"-

Forage 22"

Tubage 18 5/8"^ 9Í20 5?^ÉI

Forage 17 1/2

Tubage 13 3/8

Forage 12 1/4-

Tubage 9 5/8

Forage 8 1/2-

Crépines 6 5/8

3^1I

ii

Í

141620 m

I6I5J0

I

n

p

I299.69

Tertiaire

Crétacésupérieur

1617

Crétacéinférieur

Jurassiquesupérieur

Jurassiquemoyen

Jurassiqueinférieur

Trias

95

385

512

1055

1250

1437

1616

Figure 2 - Forage géothermique de Melleray 1 - Coupe technique

20 89SGNU13E/IRG

RAPPORT FINAL

FORAGE DEVIE DE MELLERAY 2COUPE TECHNIQUE

382

608

Tertiaire

Crétacésupérieur

Foroge 17" 1/2

Crétacéinférieur

Jurassiquesupérieur

1063-1061^

Jurassiquemoyen'

1238-1225

/

JurassiqueInférieur

1456-14)6

Trias

Foroge 12" 1/4

Solo

Foroge 8" 1/2

7Cotes verticoies

Dévia!ionsobot7"3rN80'5 W

Ancroge Liner-Honger 1419.50m

Tuboge 24" - 14,00m

Juboge 13" 3/8 sabof à 99,59m

Tuboge 9" 5/8 sobot 555,00m

Fin de Build up 1142,00 - 20*25

Deplocement 284,36m

Tuboge 7"Sobof ô 1453,00m

Foroge 6'

Déviofion fond de puils : 31' 75N SI'W

Fond de puits 6" 1661,00m

Sobot crépines!659,50m

Figure 3 - Forage géothermique de Melleray 2 - Coupe technique

89SG.\1413E/IRG 21

RAPPORT FINAL

FORAGE DEVIE DE MELLERAY 2COUPE TECHNIQUE

382

608

Tertiaire

Crétacésupérieur

Foroge 17" 1/2

Crétacéinférieur

Jurassiquesupérieur

1063-1061^

Jurassiquemoyen'

1238-1225

/

JurassiqueInférieur

1456-14)6

Trias

Foroge 12" 1/4

Solo

Foroge 8" 1/2

7Cotes verticoies

Dévia!ionsobot7"3rN80'5 W

Ancroge Liner-Honger 1419.50m

Tuboge 24" - 14,00m

Juboge 13" 3/8 sabof à 99,59m

Tuboge 9" 5/8 sobot 555,00m

Fin de Build up 1142,00 - 20*25

Deplocement 284,36m

Tuboge 7"Sobof ô 1453,00m

Foroge 6'

Déviofion fond de puils : 31' 75N SI'W

Fond de puits 6" 1661,00m

Sobot crépines!659,50m

Figure 3 - Forage géothermique de Melleray 2 - Coupe technique

89SG.\1413E/IRG 21

CONTRAT TRIAS

Volume de

proleclion

-iSSS

Figure 4 - Melleray : schéma de l'exploitation du Trias par doublet

22 89SGN1413E,aRG

CONTRAT TRIAS

Volume de

proleclion

-iSSS

Figure 4 - Melleray : schéma de l'exploitation du Trias par doublet

22 89SGN1413E,aRG

RAPPORT FINAL

La présence de crépines composites, mises en place avant les tests hydrauliques pour

maintenir la formation, ne permet pas d'analyser simplement les zones productrices. En effet, la

définition de la composition de la crépine (zone avec ou sans perforations) s'efl'ectue à l'aide des

diagraphies de porosité qui ne permettent pas d'accéder directement à la productivité des

différentes zones.

En tenant compte des difí'érentes débimétries efí^ectuées ainsi que des dernières

connaissances sur le réservoir, il apparaît plutôt sur GM Y2 une hauteur productrice de 12 mètres.

Outre les difí'érentes diagraphies réalisées en cours de forage, d'autres interventions ont eu

lieu dans les puits, au cours de ce programme de recherches. Il s'agit en particulier de

prélèvements de sédiments en fond de puits (GMYl et GMY2), de diagraphies thermiques et de

calibrages (GMYl). Ces opérations, réalisées en septembre 1985 avaient pour objectif une

meilleure connaissance de l'exploitation, et en particulier des puits.

Prélèvements de fond

Ils ont été réalisés avec une cuillère à sédiment qui permet de pistonner les matériaux

accumulés en fond de puits.

Le tableau 1 présente les difí'érentes phases minérales analysées. On peut noter :

- l'importance du quartz, présent en quantité notable dans tous les échantillons analysés,

- l'importance de la calcite, exclusivement dans le puits de production,

- l'importance de produits mal cristallisés et de phases amorphes à base de fer dans le puits

de réinjection.

89SGN1413E/IRG 23

RAPPORT FINAL

La présence de crépines composites, mises en place avant les tests hydrauliques pour

maintenir la formation, ne permet pas d'analyser simplement les zones productrices. En effet, la

définition de la composition de la crépine (zone avec ou sans perforations) s'efl'ectue à l'aide des

diagraphies de porosité qui ne permettent pas d'accéder directement à la productivité des

différentes zones.

En tenant compte des difí'érentes débimétries efí^ectuées ainsi que des dernières

connaissances sur le réservoir, il apparaît plutôt sur GM Y2 une hauteur productrice de 12 mètres.

Outre les difí'érentes diagraphies réalisées en cours de forage, d'autres interventions ont eu

lieu dans les puits, au cours de ce programme de recherches. Il s'agit en particulier de

prélèvements de sédiments en fond de puits (GMYl et GMY2), de diagraphies thermiques et de

calibrages (GMYl). Ces opérations, réalisées en septembre 1985 avaient pour objectif une

meilleure connaissance de l'exploitation, et en particulier des puits.

Prélèvements de fond

Ils ont été réalisés avec une cuillère à sédiment qui permet de pistonner les matériaux

accumulés en fond de puits.

Le tableau 1 présente les difí'érentes phases minérales analysées. On peut noter :

- l'importance du quartz, présent en quantité notable dans tous les échantillons analysés,

- l'importance de la calcite, exclusivement dans le puits de production,

- l'importance de produits mal cristallisés et de phases amorphes à base de fer dans le puits

de réinjection.

89SGN1413E/IRG 23

CONTRAT TRIAS

Phases minérales

Quartz

Feldspath

Plagioclase

Muscovite et/ou lUite

Kaolinite

Smectite

Calcite

Aragonite

Dolomite

Sidérite

Mackinawite

Amorphes

FeOOH

Magnetite

GMYlEchantillon de fond

Produitbrut

-1- -1-

/

-1-

-I- +

-1-

-h +

+ -1--Í-

-l--f-

Particules> 80p

+ -I-

-t-

\- +

+

-H-l-

+ -l--t-

-I--I-

Fines< 80n

-f--l--l-

-I--I-

-i--l-

GMY2Echantillon de fond

Ech.solide

-H-h-l-

-H-

-1-

-H

-1-

-f-

+ +

-I--I-

-i--f-

+ + (Fe)

-f-f

Résidu defiltration

-1-

-1-

-\-

-I--I-

Tableau 1 - Analyse minéralogique des prélèvements de fond dans GMYl et 2

-f- -(- -f Abondant4- -h Fréquent-I- Trace

Les échantillons ont été soumis à une analyse bactériologique comportant :

1 -le dénombrement des cellules bactériennes par microscopie à épifluorescence avec

estimation du biovolume microbien.

2 -le dénombrement des bactéries viables sur différents milieux de culture :

- microfiore hétérotrophe aérobie mesophile et thermophile par culture sur plaque de

gélose peptonée incubée respectivement à 20 et 50''C,

- microfiore hétérotrophe anaérobie par culture en milieu peptone liquide en tube sous

atmosphère inerte (CO2 - N2 : 50 % V/V) selon la technique de Kungate,

24 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Phases minérales

Quartz

Feldspath

Plagioclase

Muscovite et/ou lUite

Kaolinite

Smectite

Calcite

Aragonite

Dolomite

Sidérite

Mackinawite

Amorphes

FeOOH

Magnetite

GMYlEchantillon de fond

Produitbrut

-1- -1-

/

-1-

-I- +

-1-

-h +

+ -1--Í-

-l--f-

Particules> 80p

+ -I-

-t-

\- +

+

-H-l-

+ -l--t-

-I--I-

Fines< 80n

-f--l--l-

-I--I-

-i--l-

GMY2Echantillon de fond

Ech.solide

-H-h-l-

-H-

-1-

-H

-1-

-f-

+ +

-I--I-

-i--f-

+ + (Fe)

-f-f

Résidu defiltration

-1-

-1-

-\-

-I--I-

Tableau 1 - Analyse minéralogique des prélèvements de fond dans GMYl et 2

-f- -(- -f Abondant4- -h Fréquent-I- Trace

Les échantillons ont été soumis à une analyse bactériologique comportant :

1 -le dénombrement des cellules bactériennes par microscopie à épifluorescence avec

estimation du biovolume microbien.

2 -le dénombrement des bactéries viables sur différents milieux de culture :

- microfiore hétérotrophe aérobie mesophile et thermophile par culture sur plaque de

gélose peptonée incubée respectivement à 20 et 50''C,

- microfiore hétérotrophe anaérobie par culture en milieu peptone liquide en tube sous

atmosphère inerte (CO2 - N2 : 50 % V/V) selon la technique de Kungate,

24 89SGN1413E/IRG

. RAPPORT FINAL

microfiore sulfato-réductrice, selon la méthode de Marty,

microfiore méthanigène selon la technique de Hungate en utilisant le milieu de Marty.

Les résultats sont présentés dans le tableau 2.

Echantillon

GMYl

GMY2

Microflore totale

Effectifs

4.8x106

9,8x107

Biovolume

0.14x106

3,92x10''

Microflore viable (cultures)

Microflore hétérotrophe aérobie

Mesophile

50

4,0x105

Thermophile

<25

9,5xl0<

"Totale"

7.5x102

4,5x105

Microflores anaérobies

Sulfato réductrice

0

2,5x103

Métbanogène

0

0

Tableau 2 - Résultats des dénombrements bactériens dans GMYl et 2, exprimés en nombre de cellules ml> de sédiment.Estimation du biovolume représenté par les cellules bactériennes exprimée en pm^ ml-i de sédiment

Les nombreux colloïdes rendent difficile l'examen au microscope, certaines particules

minérales auto-fluorescent peuvent donc être confondues avec des cellules bactériennes. Dans

l'état actuel des examens il n'est pas possible de fournir un résultat significatif concernant ces

comptages directs ; on note cependant l'absence de formes bactériennes filamenteuses

généralement présentes dans les sables oligotrophes.

Les cultures bactériennes montrent la présence d'un très petit nombre de bactéries vivantes

dans les sédiments du puits de production. Cette microfiore, peu abondante, est plutôt de tj-pe

anaérobie. Les bactéries sulfato-réductrices ne sont pas représentées, ou en nombre insuffisant

pour donner une culture positive avec un inoculum de 1 ml dans 5 ml de milieu de culture.

Dans les sédiments du puits de réinjection (GMY 2) les effectifs bactériens sont plus

abondants, de l'ordre de 4 x 105 cellules ml-l. Les microflores aérobies et anaérobies sont

également représentées. La microflore sulfato-réductrice est abondante (2,5 x 103 bactéries ml-i).

Les analyses microbiologiques montrent la présence de microflores très difí'érentes dans les

sédiments du puits de production pratiquement stérile et du puits de ré-injection renfermant une

microflore abondante et variée bien adaptée à des conditions de température élevée et d'anoxie.

Les bactéries sulfato-réductrices sont abondantes.

89SGN1413E/IRG 25

. RAPPORT FINAL

microfiore sulfato-réductrice, selon la méthode de Marty,

microfiore méthanigène selon la technique de Hungate en utilisant le milieu de Marty.

Les résultats sont présentés dans le tableau 2.

Echantillon

GMYl

GMY2

Microflore totale

Effectifs

4.8x106

9,8x107

Biovolume

0.14x106

3,92x10''

Microflore viable (cultures)

Microflore hétérotrophe aérobie

Mesophile

50

4,0x105

Thermophile

<25

9,5xl0<

"Totale"

7.5x102

4,5x105

Microflores anaérobies

Sulfato réductrice

0

2,5x103

Métbanogène

0

0

Tableau 2 - Résultats des dénombrements bactériens dans GMYl et 2, exprimés en nombre de cellules ml> de sédiment.Estimation du biovolume représenté par les cellules bactériennes exprimée en pm^ ml-i de sédiment

Les nombreux colloïdes rendent difficile l'examen au microscope, certaines particules

minérales auto-fluorescent peuvent donc être confondues avec des cellules bactériennes. Dans

l'état actuel des examens il n'est pas possible de fournir un résultat significatif concernant ces

comptages directs ; on note cependant l'absence de formes bactériennes filamenteuses

généralement présentes dans les sables oligotrophes.

Les cultures bactériennes montrent la présence d'un très petit nombre de bactéries vivantes

dans les sédiments du puits de production. Cette microfiore, peu abondante, est plutôt de tj-pe

anaérobie. Les bactéries sulfato-réductrices ne sont pas représentées, ou en nombre insuffisant

pour donner une culture positive avec un inoculum de 1 ml dans 5 ml de milieu de culture.

Dans les sédiments du puits de réinjection (GMY 2) les effectifs bactériens sont plus

abondants, de l'ordre de 4 x 105 cellules ml-l. Les microflores aérobies et anaérobies sont

également représentées. La microflore sulfato-réductrice est abondante (2,5 x 103 bactéries ml-i).

Les analyses microbiologiques montrent la présence de microflores très difí'érentes dans les

sédiments du puits de production pratiquement stérile et du puits de ré-injection renfermant une

microflore abondante et variée bien adaptée à des conditions de température élevée et d'anoxie.

Les bactéries sulfato-réductrices sont abondantes.

89SGN1413E/IRG 25

CONTRAT TRIAS

0

Température CC)

0 10 ZO 30 40 50 60 70 80'C

400.

800-

1200-

K=2.56

1600-

=3a>

2000-

K=2.28

K=3.l

profil ca profil ca

MELLERAYprofil expérijnental

culéT(intJ = 37'C,0=85mw/m2,cuié T(int) = 29'C,0 = IOOmw/m2

Figure 5 - Diagraphie thermique du puits GMYl à l'équilibre

26 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

0

Température CC)

0 10 ZO 30 40 50 60 70 80'C

400.

800-

1200-

K=2.56

1600-

=3a>

2000-

K=2.28

K=3.l

profil ca profil ca

MELLERAYprofil expérijnental

culéT(intJ = 37'C,0=85mw/m2,cuié T(int) = 29'C,0 = IOOmw/m2

Figure 5 - Diagraphie thermique du puits GMYl à l'équilibre

26 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Une diagraphie thermique (cf. fig.5) a été efí'ectuée à la même époque, sur GMYl en

équilibre thermique. Un flux de 100 mW/m2 permet de caler la réponse de modèle thermique

utilisé sur le profil expérimental.

Une diagraphie de corrosion, effectuée à l'aide d'un outil de calibrage mécanique (type

KIXLEY), révèle une corrosion généralisée de faible ampleur inférieure à 10% de l'épaisseur sur

l'ensemble du casing du puits de production.

2.1.2 - Données techniques d'exploitation

Le débit nominal d'exploitation prévisionnel était de 175 m3/h. Les problèmes de réinjection

ont limité ce débit, qui a été maintenu pendant plusieurs mois à 140 m3/h avec un rejet en surface.

Les différentes expérimentations présentées dans ce rapport ont été réalisées soit autour de

ce débit, imposé par une pompe électrique immergée avec variateur, soit avec une production

artésienne de l'ordre de 36 m3/h.

Différentes études bactériologiques et de corrosion ont été réalisées dans le cadre du contrat

CCE EN3G.0038 F, sur ce site. Nous rappellerons simplement les résultats suivants :

Les bactéries dans le fluide géothermal

Les difí'érentes analyses effectuées sur le fluide d'exhaure de la centrale de Melleray ont

montré la présence constante de divers types bactériens (par ml) :

- microflore hétérotrophe aérobie mesophile : 0.1 - 10 ml-i

- microflore hétérotrophe aérobie thermophile : 0 - 1

- microflore hétérotrophe anaérobie mesophile : 0 - 10

- microflore hétérotrophe anaérobie thermophile : 0,1 - 10

- microflore sulfato-réductrice mesophile : 0,1 - 1

- microflore sulfato-réductrice thermophile : 1 - 100

- microflore méthanogène mesophile : 0 - 1

- microflore méthanogène thermophile : 1 - 10

- microflore bactérienne totale (dénombrement par microscopie à épifluo) : 10* - 105.

89SGN1413E;IRG 27

RAPPORT FINAL

Une diagraphie thermique (cf. fig.5) a été efí'ectuée à la même époque, sur GMYl en

équilibre thermique. Un flux de 100 mW/m2 permet de caler la réponse de modèle thermique

utilisé sur le profil expérimental.

Une diagraphie de corrosion, effectuée à l'aide d'un outil de calibrage mécanique (type

KIXLEY), révèle une corrosion généralisée de faible ampleur inférieure à 10% de l'épaisseur sur

l'ensemble du casing du puits de production.

2.1.2 - Données techniques d'exploitation

Le débit nominal d'exploitation prévisionnel était de 175 m3/h. Les problèmes de réinjection

ont limité ce débit, qui a été maintenu pendant plusieurs mois à 140 m3/h avec un rejet en surface.

Les différentes expérimentations présentées dans ce rapport ont été réalisées soit autour de

ce débit, imposé par une pompe électrique immergée avec variateur, soit avec une production

artésienne de l'ordre de 36 m3/h.

Différentes études bactériologiques et de corrosion ont été réalisées dans le cadre du contrat

CCE EN3G.0038 F, sur ce site. Nous rappellerons simplement les résultats suivants :

Les bactéries dans le fluide géothermal

Les difí'érentes analyses effectuées sur le fluide d'exhaure de la centrale de Melleray ont

montré la présence constante de divers types bactériens (par ml) :

- microflore hétérotrophe aérobie mesophile : 0.1 - 10 ml-i

- microflore hétérotrophe aérobie thermophile : 0 - 1

- microflore hétérotrophe anaérobie mesophile : 0 - 10

- microflore hétérotrophe anaérobie thermophile : 0,1 - 10

- microflore sulfato-réductrice mesophile : 0,1 - 1

- microflore sulfato-réductrice thermophile : 1 - 100

- microflore méthanogène mesophile : 0 - 1

- microflore méthanogène thermophile : 1 - 10

- microflore bactérienne totale (dénombrement par microscopie à épifluo) : 10* - 105.

89SGN1413E;IRG 27

CONTRAT TRIAS

La corrosivité du fluide

Le tableau 3 donne une indication sur les vitesses de corrosion, évaluées sur des

échantillons placés en dérivation de l'exploitation. Ces vitesses sont mesurées par perte de masse

sur des éprouvettes d'acier au carbone de même facture que les casings de puits (API K55).

Melleray

Duréetest

(jours)

9

44

73

NbreEch.

3

3

3

Taux de corrosion(pm/an)

Moy.

410

170

203

a

99

7

24

Tableau 3 - Vitesse de corrosion sur des échantillons placés dans lefluide de Melleray

Des tests de corrosion ont été efí'ectués sur des éprouvettes en milieu géothermal septique et

stérile pour évaluer l'influence du biofilm. Pendant une période de deux mois, les plaquettes

exposées au fluide non stérilisé ont été colonisées par des bactéries qui montrent des activités

métaboliques croissantes. La colonisation de ces plaquettes est très progressive. Le calcul montre

qu'après 9 jours d'exposition, la surface de plaquette métallique couverte par les bactéries est de

l'ordre de 1/10.000, qu'après 6 semaines elle est de 1/1.000 et qu'au bout de 10 semaines elle est de

l'ordre de 1/100 de la surface totale de la plaquette.

Ces pourcentages de surface colonisée sont certes très inférieurs à ceux habituellement

observés après des périodes d'exposition équivalentes dans les systèmes aquatiques de surface

océaniques ou limniques. Cependant l'évolution observée entre le 9° et le 74° jour d'exposition

laisse supposer qu'une expérience plus longue aurait pu permettre d'atteindre un taux de

colonisation plus important. La plupart des matériaux sont donc fortement colonisés par les micro¬

organismes et les mesures d'activité chemolithotrophes montrent qu'il ne s'agit pas d'un simple

dépôt de cellules entraînées par le flux, mais bien de cellules capables de réaliser des activités

métaboliques.

Cependant les différences de taux de corrosion (généralisée, piqûres ou crevasses) entre les

deux milieux (septique et stérile) sont trop faibles pour imputer la corrosion au biofilm. La

physicochimie du fluide (température, chlorure) est donc le principal responsable de la corrosion

28 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

La corrosivité du fluide

Le tableau 3 donne une indication sur les vitesses de corrosion, évaluées sur des

échantillons placés en dérivation de l'exploitation. Ces vitesses sont mesurées par perte de masse

sur des éprouvettes d'acier au carbone de même facture que les casings de puits (API K55).

Melleray

Duréetest

(jours)

9

44

73

NbreEch.

3

3

3

Taux de corrosion(pm/an)

Moy.

410

170

203

a

99

7

24

Tableau 3 - Vitesse de corrosion sur des échantillons placés dans lefluide de Melleray

Des tests de corrosion ont été efí'ectués sur des éprouvettes en milieu géothermal septique et

stérile pour évaluer l'influence du biofilm. Pendant une période de deux mois, les plaquettes

exposées au fluide non stérilisé ont été colonisées par des bactéries qui montrent des activités

métaboliques croissantes. La colonisation de ces plaquettes est très progressive. Le calcul montre

qu'après 9 jours d'exposition, la surface de plaquette métallique couverte par les bactéries est de

l'ordre de 1/10.000, qu'après 6 semaines elle est de 1/1.000 et qu'au bout de 10 semaines elle est de

l'ordre de 1/100 de la surface totale de la plaquette.

Ces pourcentages de surface colonisée sont certes très inférieurs à ceux habituellement

observés après des périodes d'exposition équivalentes dans les systèmes aquatiques de surface

océaniques ou limniques. Cependant l'évolution observée entre le 9° et le 74° jour d'exposition

laisse supposer qu'une expérience plus longue aurait pu permettre d'atteindre un taux de

colonisation plus important. La plupart des matériaux sont donc fortement colonisés par les micro¬

organismes et les mesures d'activité chemolithotrophes montrent qu'il ne s'agit pas d'un simple

dépôt de cellules entraînées par le flux, mais bien de cellules capables de réaliser des activités

métaboliques.

Cependant les différences de taux de corrosion (généralisée, piqûres ou crevasses) entre les

deux milieux (septique et stérile) sont trop faibles pour imputer la corrosion au biofilm. La

physicochimie du fluide (température, chlorure) est donc le principal responsable de la corrosion

28 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

relativement rapide observée à la fois sur des éprouvettes et sur l'exploitation (percement de

certaines canalisations de surface, présence de produits de corrosion dans le puits).

Le suivi des paramètres d'exploitation

Outre les difí'érents paramètres suivis par l'exploitant de Melleray, nous avons équipé

l'installation d'appareils de mesure complémentaires, en particulier :

- sur le puits producteur GMYl, il a été mis au point un système autonome de suivi

piézométrique (niveau de rabattement de la nappe en pompage). Le système, utilisant un

tube d'injection placé le long de la colonne d'exhaure jusqu'au sommet de la pompe

immergée, est fondé sur l'enregistrement parallèle de la pression d'une micro injection

d'azote et de la contrepression de l'annulaire en tête de puits (cf. figure 6),

- sur le puits injecteur GMY2, la tête de puits a été équipée d'un capteur de pression de

grande précision couplée à un capteur de température.

L'ensemble est relié à une centrale d'acquisition autonome (produit BRGM : DAISY). Ce

système avait pour objectif un suivi piézométrique ainsi qu'une vérification des paramètres

hydrauliques du réservoir.

Sur l'installation de surface, il a été placé deux capteurs de pression en amont et aval de

l'échangeur pour évaluer la pression d'exploitation ainsi que les dépôts sur les plaques de

l'échangeur. Quatre capteurs de température sur les entrées/sorties de l'échangeur permettent de

suivre le coefficient d'échange thermique ainsi que les quantités d'énergie échangée (en liaison

avec les débitmètres, primaire et secondaire, de l'exploitation).

L'information de rabattement sur GMYl ainsi que les paramètres de surface ont été traités

par le système d'acquisition et de télétransmission (cf. § 3).

La mise en exploitation artésienne de l'exploitation n'a pas permis d'utiliser pleinement ces

équipements : rabattement directement mesuré par la pression d'exploitation, et débit insufílsant

sur GMYl pour être répercuté en tête de puits de GMY2.

89SGN1413E/IRG 29

RAPPORT FINAL

relativement rapide observée à la fois sur des éprouvettes et sur l'exploitation (percement de

certaines canalisations de surface, présence de produits de corrosion dans le puits).

Le suivi des paramètres d'exploitation

Outre les difí'érents paramètres suivis par l'exploitant de Melleray, nous avons équipé

l'installation d'appareils de mesure complémentaires, en particulier :

- sur le puits producteur GMYl, il a été mis au point un système autonome de suivi

piézométrique (niveau de rabattement de la nappe en pompage). Le système, utilisant un

tube d'injection placé le long de la colonne d'exhaure jusqu'au sommet de la pompe

immergée, est fondé sur l'enregistrement parallèle de la pression d'une micro injection

d'azote et de la contrepression de l'annulaire en tête de puits (cf. figure 6),

- sur le puits injecteur GMY2, la tête de puits a été équipée d'un capteur de pression de

grande précision couplée à un capteur de température.

L'ensemble est relié à une centrale d'acquisition autonome (produit BRGM : DAISY). Ce

système avait pour objectif un suivi piézométrique ainsi qu'une vérification des paramètres

hydrauliques du réservoir.

Sur l'installation de surface, il a été placé deux capteurs de pression en amont et aval de

l'échangeur pour évaluer la pression d'exploitation ainsi que les dépôts sur les plaques de

l'échangeur. Quatre capteurs de température sur les entrées/sorties de l'échangeur permettent de

suivre le coefficient d'échange thermique ainsi que les quantités d'énergie échangée (en liaison

avec les débitmètres, primaire et secondaire, de l'exploitation).

L'information de rabattement sur GMYl ainsi que les paramètres de surface ont été traités

par le système d'acquisition et de télétransmission (cf. § 3).

La mise en exploitation artésienne de l'exploitation n'a pas permis d'utiliser pleinement ces

équipements : rabattement directement mesuré par la pression d'exploitation, et débit insufílsant

sur GMYl pour être répercuté en tête de puits de GMY2.

89SGN1413E/IRG 29

CONTRAT TRIAS

vanne micrométrique o-io V

HP3421

bouteille Azote200 bars, 10 Nm^

Capteurpressiono-5ob

HP150

clapet anti-'retour /0\vanne de décharge

gaz (contre pression azote)

interface eau/gaz

fluide géothermal

base du tube d'injection

corps de pompe centrifuge

crépine d'aspiration

vanne principale

tête de puits

tube d'exhaure

casing(chambre de pompage)

casing de production

Figure 6 Schéma du système de mesure de rabattement sur le puits GMYl

30 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

vanne micrométrique o-io V

HP3421

bouteille Azote200 bars, 10 Nm^

Capteurpressiono-5ob

HP150

clapet anti-'retour /0\vanne de décharge

gaz (contre pression azote)

interface eau/gaz

fluide géothermal

base du tube d'injection

corps de pompe centrifuge

crépine d'aspiration

vanne principale

tête de puits

tube d'exhaure

casing(chambre de pompage)

casing de production

Figure 6 Schéma du système de mesure de rabattement sur le puits GMYl

30 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

2.2 SITE DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER

2.2.1 - Présentation

Dans le cadre de la prospection de réservoirs naturels pour le stockage de gaz, la société Gaz

de France a réalisé de nombreux puits atteignant le réservoir du Trias. Le stockage opérationnel

de Chemery (Loir-et-Cher), le plus important de France, utilise ce réservoir.

En coopération avec GDF, nous avons eu accès à la tête du puits VR52 de Villefranche-sur-

Cher pour poursuivre les essais engagés à Melleray. Le puits VR52 se situe approximativement à

une centaine de kilomètres au Sud-Sud Ouest de Melleray. Ce puits est isolé, mais il fait partie

d'un maillage de puits sur quelques kilomètres.

2.2.2 - Caractéristiques du puits

Ce puits n'étant pas actuellement exploité, on trouve seulement en surface la plateforme et

une tête de puits sans raccordement.

La completion du puits est précisée sur la figure 7.

Les caractéristiques hydrauliques sont approximativement les suivantes :

Index de productivité : 4 m3/h/bar

Transmissivité : 11 à 14 Dm

Pression statique en tête : 8 à 9 bars

Température : 30,4''C en tête de puits à un débit de 2,2 m3/h.

Un bourbier de 300 m3 a été creusé dans la plateforme pour permettre l'évacuation du fiuide

produit pendant les essais.

Le puits a été mis en production artésienne, et, avant chaque manipulation, un volume

correspondant au minimum à celui du puits a été produit pour obtenir un fluide le plus

représentatif des conditions chimiques de fond.

Puis les deux boucles d'essais de percolation et de traitement des eaux ont été installées sur

le site et raccordées à la tête de puits et aux réseaux électrique et téléphonique. Le raccordement

hydraulique permet leur fonctionnement soit en parallèle (indépendance des expérimentations)

soit en série (cf. schéma figure 8).

89 SGN 141 3E/IRG 31

RAPPORT FINAL

2.2 SITE DE VILLEFRANCHE-SUR-CHER

2.2.1 - Présentation

Dans le cadre de la prospection de réservoirs naturels pour le stockage de gaz, la société Gaz

de France a réalisé de nombreux puits atteignant le réservoir du Trias. Le stockage opérationnel

de Chemery (Loir-et-Cher), le plus important de France, utilise ce réservoir.

En coopération avec GDF, nous avons eu accès à la tête du puits VR52 de Villefranche-sur-

Cher pour poursuivre les essais engagés à Melleray. Le puits VR52 se situe approximativement à

une centaine de kilomètres au Sud-Sud Ouest de Melleray. Ce puits est isolé, mais il fait partie

d'un maillage de puits sur quelques kilomètres.

2.2.2 - Caractéristiques du puits

Ce puits n'étant pas actuellement exploité, on trouve seulement en surface la plateforme et

une tête de puits sans raccordement.

La completion du puits est précisée sur la figure 7.

Les caractéristiques hydrauliques sont approximativement les suivantes :

Index de productivité : 4 m3/h/bar

Transmissivité : 11 à 14 Dm

Pression statique en tête : 8 à 9 bars

Température : 30,4''C en tête de puits à un débit de 2,2 m3/h.

Un bourbier de 300 m3 a été creusé dans la plateforme pour permettre l'évacuation du fiuide

produit pendant les essais.

Le puits a été mis en production artésienne, et, avant chaque manipulation, un volume

correspondant au minimum à celui du puits a été produit pour obtenir un fluide le plus

représentatif des conditions chimiques de fond.

Puis les deux boucles d'essais de percolation et de traitement des eaux ont été installées sur

le site et raccordées à la tête de puits et aux réseaux électrique et téléphonique. Le raccordement

hydraulique permet leur fonctionnement soit en parallèle (indépendance des expérimentations)

soit en série (cf. schéma figure 8).

89 SGN 141 3E/IRG 31

CONTRAT TRIAS

PUITSZ sol

date dernieréquipement

NIVEAUX

SUPERIEURS

COUVERTURE

PRINCPALE

RESERVOIR:PERMO-TRIAS

gréseux

RI

COUVERTURE

^^ ^^ ^^^

R2

NIVEAUX

INFEREURS

VR 52112,5

17-10-82

9..5/8

243,43

7"

11380,51

(1395,21

1403-^

2"7/8

^ 699,55diffusetr

T 900,26

^°"SL 909,12d'introduction

_^ 094.73

^

1l427,4l '

(14341

F0ND:i459,4 ^

1396,45

1404,36

1416,96

*Í427X"

14351436,82

sobotsiption

ó DcqiJe

STRUCTURE

VILLEFRANCHE SUR CHERmise à jour: 09/85

LEGENDE:

Pokerzâ de cosing

sobot de tuboge

ra Position poker^^ de formotnn

Figure 7 - Completion du puits VR52

32 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

PUITSZ sol

date dernieréquipement

NIVEAUX

SUPERIEURS

COUVERTURE

PRINCPALE

RESERVOIR:PERMO-TRIAS

gréseux

RI

COUVERTURE

^^ ^^ ^^^

R2

NIVEAUX

INFEREURS

VR 52112,5

17-10-82

9..5/8

243,43

7"

11380,51

(1395,21

1403-^

2"7/8

^ 699,55diffusetr

T 900,26

^°"SL 909,12d'introduction

_^ 094.73

^

1l427,4l '

(14341

F0ND:i459,4 ^

1396,45

1404,36

1416,96

*Í427X"

14351436,82

sobotsiption

ó DcqiJe

STRUCTURE

VILLEFRANCHE SUR CHERmise à jour: 09/85

LEGENDE:

Pokerzâ de cosing

sobot de tuboge

ra Position poker^^ de formotnn

Figure 7 - Completion du puits VR52

32 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Unité depercolation

Flltres amontcarotte

Fonctionnement en tirie

M

Figure 8 - Schéma du principe de raccordement des deux boucles d'essais

89SGN1413E/IRG 33

RAPPORT FINAL

Unité depercolation

Flltres amontcarotte

Fonctionnement en tirie

M

Figure 8 - Schéma du principe de raccordement des deux boucles d'essais

89SGN1413E/IRG 33

CONTRATTRIAS

Figure 9 - Photographies du banc de percolation et du système de télésuivi

Photo supérieure : aperçu du banc de percolation avec au premier plan la cellule n3l calorifugée

(A), au second plan le système de pressurisation (B) et en arrière-plan le séparateur et les nitres

d'entrée (Cï

Photo inférieure : système informatique avec la centrale d'acquisition, l'ordinateur et le modem.

Le système est dupliqué pour le télésuivi.

Cellule 2

34 89SGNL413E/IRG

RAPPORT FINAL

2.3 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE D'ESSAIDE PERCOLATION

Ce pilote, réalisé à l'IMRG, a été mis au point sur le site de Melleray en 1986. Les

principales caractéristiques sont les suivantes :

- Percolation de carottes (diamètre 4x9 cm) de perméabilité voisine de 1 Darcy.

- Vitesses de circulation importantes dans les carottes (de l'ordre du cm/s), équivalentes à

celles rencontrées dans le réservoir à proximité des crépines.

- La pression dans le circuit peut atteindre 220 b, avec la possibilité d'établir une contre-

pression en aval des cellules renfermant les carottes.

- Possibilité d'étude de l'arrachement de particules dans un premier échantillon et de

redéposition dans un second, connecté en séries dans le circuit de percolation avec possibilité de

simulation des effets d'un "gradient de vitesses".

- Des connexions sont prévues pour l'injection de traceurs, le branchement de compteur de

particules, la collecte des gaz...

- Thermostatation du fluide en amont des carottes permettant de simuler des phénomènes à

la production comme à la réinjection.

- Capteur de pression diiTérentielle sur la première cellule augmentant la précision des

capteurs de pression absolue.

- Enregistrement en continu des paramètres clefs (débit, pression, température)

surveillance du colmatage des échantillons et des filtres et dispositifs de sécurité permettant

l'arrêt de la pompe, contrôlés par un micro-ordinateur.

- Installation dans une unité autonome transportable qui peut fonctionner sur tout site

d'exploitation par branchement direct sur le circuit géothermal.

L'ensemble du système de percolation, ainsi que d'autres ensembles (fonctionnement de

l'exploitation géothermale, mesure de rabattement) sont suivis à l'aide d'une centrale

d'acquisition multivoies, d'un ordinateur et d'une télétransmission de l'information.

Pour cela une chaîne d'acquisition, de télésuivi et de traitement de l'information a été

développée et mise au point à l'IMRG ; elle comprend :

- du matériel informatique standard (HP 150, 3421A, 2225 A),

- des logiciels qui définissent les protocoles de mesure, de stockage, de transfert et de

traitement des données.

Les figures 9, 10 et 11 précisent le schéma général du percolateur et les systèmes de suivi et

de télétransmission.

89SGN1413E/IRG 35

RAPPORT FINAL

2.3 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE D'ESSAIDE PERCOLATION

Ce pilote, réalisé à l'IMRG, a été mis au point sur le site de Melleray en 1986. Les

principales caractéristiques sont les suivantes :

- Percolation de carottes (diamètre 4x9 cm) de perméabilité voisine de 1 Darcy.

- Vitesses de circulation importantes dans les carottes (de l'ordre du cm/s), équivalentes à

celles rencontrées dans le réservoir à proximité des crépines.

- La pression dans le circuit peut atteindre 220 b, avec la possibilité d'établir une contre-

pression en aval des cellules renfermant les carottes.

- Possibilité d'étude de l'arrachement de particules dans un premier échantillon et de

redéposition dans un second, connecté en séries dans le circuit de percolation avec possibilité de

simulation des effets d'un "gradient de vitesses".

- Des connexions sont prévues pour l'injection de traceurs, le branchement de compteur de

particules, la collecte des gaz...

- Thermostatation du fluide en amont des carottes permettant de simuler des phénomènes à

la production comme à la réinjection.

- Capteur de pression diiTérentielle sur la première cellule augmentant la précision des

capteurs de pression absolue.

- Enregistrement en continu des paramètres clefs (débit, pression, température)

surveillance du colmatage des échantillons et des filtres et dispositifs de sécurité permettant

l'arrêt de la pompe, contrôlés par un micro-ordinateur.

- Installation dans une unité autonome transportable qui peut fonctionner sur tout site

d'exploitation par branchement direct sur le circuit géothermal.

L'ensemble du système de percolation, ainsi que d'autres ensembles (fonctionnement de

l'exploitation géothermale, mesure de rabattement) sont suivis à l'aide d'une centrale

d'acquisition multivoies, d'un ordinateur et d'une télétransmission de l'information.

Pour cela une chaîne d'acquisition, de télésuivi et de traitement de l'information a été

développée et mise au point à l'IMRG ; elle comprend :

- du matériel informatique standard (HP 150, 3421A, 2225 A),

- des logiciels qui définissent les protocoles de mesure, de stockage, de transfert et de

traitement des données.

Les figures 9, 10 et 11 précisent le schéma général du percolateur et les systèmes de suivi et

de télétransmission.

89SGN1413E/IRG 35

CONTRAT TRIAS

Figure 10 - Photographies d'écran des synoptiques de télésuivi - Dans chaque rectangle est

représenté en temps réel (selon la fréquence d'échantillonnage) le numéro de la voie, l'unité

physique et la valeur mesurée.

36 89SG-M413E/IRG

RAPPORT FINAL

© © evocuationati gaz

©>oriix}i Z

exeou douce y ©

oir

comprime,>P^ ®

1

3

i.

5

6

7

8

9

10

Cl I orrivéi

"^^ geothermole

iX^

Filtre cartouche 10" (0,4S/xiii à 2S/Lii)

Séparateur Oe gaz

Electrovanne Oe curge autonatiaue des gaz(commanaee car un flotteur magnetioue)

Pomce de circulation (P 250b, Q 50l/h)max max

Ballon amortisseur de culsationgonUé à l'azote

Souoaoe de sécurité (2iOb>

Pressostat oe sécurité (225i>)

Cellule calorifugee renfermant leséchantillons de roches

11 Surpresseur

12 Disoue de rupture (3S0b>

13 Filtre plat.i 47 m. (HP)

Déverseur-aetenteur

14 Oébitnetre massioue (HP)

17 Manomètre (0-403!))

18 Manomètre (D-25b)

Piouage cour prélèvement zuinjection ae fluide

Capteurs connectes a l'orainatev:

Pjj,P.,... Caoteurs de pression

iP

N,.N,r'"2

Capteur oe pressiondifférentiel

T_,T,,... Capteurs oe temperature

Capteurs de niveau ce =az

Système ae chauffageregule

Figure 11 Schéma de principe du percolateur

89SGN1413E/IRG 37

RAPPORT FINAL

© © evocuationati gaz

©>oriix}i Z

exeou douce y ©

oir

comprime,>P^ ®

1

3

i.

5

6

7

8

9

10

Cl I orrivéi

"^^ geothermole

iX^

Filtre cartouche 10" (0,4S/xiii à 2S/Lii)

Séparateur Oe gaz

Electrovanne Oe curge autonatiaue des gaz(commanaee car un flotteur magnetioue)

Pomce de circulation (P 250b, Q 50l/h)max max

Ballon amortisseur de culsationgonUé à l'azote

Souoaoe de sécurité (2iOb>

Pressostat oe sécurité (225i>)

Cellule calorifugee renfermant leséchantillons de roches

11 Surpresseur

12 Disoue de rupture (3S0b>

13 Filtre plat.i 47 m. (HP)

Déverseur-aetenteur

14 Oébitnetre massioue (HP)

17 Manomètre (0-403!))

18 Manomètre (D-25b)

Piouage cour prélèvement zuinjection ae fluide

Capteurs connectes a l'orainatev:

Pjj,P.,... Caoteurs de pression

iP

N,.N,r'"2

Capteur oe pressiondifférentiel

T_,T,,... Capteurs oe temperature

Capteurs de niveau ce =az

Système ae chauffageregule

Figure 11 Schéma de principe du percolateur

89SGN1413E/IRG 37

CONTRAT TRIAS

circulation14 de l'eou

CZZS

arrivée de l'eaugéothermale

sortie de l'eau

1,2,3,4,5,¿ Prélèvement d'échantillons

7,8

9

10

11

12

Banc de mesures

Réfcigéronf

Thermomètre

Pompe de circulation

Pressostat

13»14,17«I8 Pompes doseuses et mélangeur

)3 Cuve de décantation

\6 Niveau

19 Oébitmètre

20 Filtre

21 Déverseur

22 Clapet anti-retour

Figure 12 - Schéma du pilote de traitement d'eau

38 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

circulation14 de l'eou

CZZS

arrivée de l'eaugéothermale

sortie de l'eau

1,2,3,4,5,¿ Prélèvement d'échantillons

7,8

9

10

11

12

Banc de mesures

Réfcigéronf

Thermomètre

Pompe de circulation

Pressostat

13»14,17«I8 Pompes doseuses et mélangeur

)3 Cuve de décantation

\6 Niveau

19 Oébitmètre

20 Filtre

21 Déverseur

22 Clapet anti-retour

Figure 12 - Schéma du pilote de traitement d'eau

38 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

2.4 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE DE TRAITEMENT DESEAUX

Ce pilote a pour objectif la sélection et l'optimisation des systèmes de traitement

physicochimique de fluides. II comporte de nombreuses possibilités d'intervention sur un fluide :

- circulation (pompe volumétrique),

- régulation de pression (déverseur),

- dégazage,

-décantation,

- injection de produits (pompes doseuses, mélangeur),

- filtration.

Deux bancs de mesure sont prévus, en entrée et sortie du système pour analyser et

quantifier l'évolution du fluide. Ils comprennent des capteurs de pH, Eh, pression, température et

permettent le raccordement de tout autre système de mesure (comptage de particule, mesure de

taux de gaz, etc.).

Les figures 12 et 13 précisent le schéma général du pilote.

89SGN1413E/IRG 39

RAPPORT FINAL

2.4 - DESCRIPTION DE LA BOUCLE DE TRAITEMENT DESEAUX

Ce pilote a pour objectif la sélection et l'optimisation des systèmes de traitement

physicochimique de fluides. II comporte de nombreuses possibilités d'intervention sur un fluide :

- circulation (pompe volumétrique),

- régulation de pression (déverseur),

- dégazage,

-décantation,

- injection de produits (pompes doseuses, mélangeur),

- filtration.

Deux bancs de mesure sont prévus, en entrée et sortie du système pour analyser et

quantifier l'évolution du fluide. Ils comprennent des capteurs de pH, Eh, pression, température et

permettent le raccordement de tout autre système de mesure (comptage de particule, mesure de

taux de gaz, etc.).

Les figures 12 et 13 précisent le schéma général du pilote.

89SGN1413E/IRG 39

CONTRAT TRIAS

Figure 13 - Photographies de la boucle d'essais de traitement des eaux

40 89SGNU13E/IRG

RAPPORT FINAL

3 - ANALYSE GÉOLOGIQUE

3.1 - GÉNÉRALITÉS

La figure 14 décrit la lithologie du réservoir de Melleray.

D'un point de vue géologique, la réinjection dans un réservoir donné dépend

- de son espace poreux plus ou moins complexe, développé et interconnecté,

- de sa matrice, assemblage de particules de diverses formes et natures minéralogiques,

- de son extension géographique verticale et horizontale.

Ces caractéristiques relient ainsi l'aspect géologique du problème à l'hydrodynamique et à

la géochimie.

Pour sérier les questions et rechercher de proche en proche les causes de la dégradation de

l'indice de réinjectivité dans les réservoirs argilo-gréseux en progressant du simple au complexe

dans les expériences de percolation, nous avions pensé à travailler :

- sur des matériaux artificiels neutres avec un fluide neutre puis un fiuide contrôlé et enfin

une saumure géothermale réelle,

- sur des grès uniquement quartzeux en suivant la même progressivité dans la complexité

du fluide de percolation,

- sur des grès "analogues" aux grès réservoirs du Trias d'Achères, Cergy et Melleray,

- sur les rares fragments de carottes de grès de Melleray en notre possession, avec toujours

la même série de fluides du neutre à la saumure naturelle.

Enfin une série d'expériences sur divers matériaux était prévue impliquant des fluides

traités en vue du décolmatage ou du non colmatage des pores du réservoir.

Nous caressions ainsi l'espoir de pouvoir de cette manière faire clairement porter les parts

de responsabilité aux particules en suspension, aux dissolutions et précipitations chimiques etc..

dans le phénomène global du colmatage et de tester et certifier les méthodes de traitement du

fluide avant sa réinjection dans l'aquifère.

89SGN1413E/IRG 41

RAPPORT FINAL

3 - ANALYSE GÉOLOGIQUE

3.1 - GÉNÉRALITÉS

La figure 14 décrit la lithologie du réservoir de Melleray.

D'un point de vue géologique, la réinjection dans un réservoir donné dépend

- de son espace poreux plus ou moins complexe, développé et interconnecté,

- de sa matrice, assemblage de particules de diverses formes et natures minéralogiques,

- de son extension géographique verticale et horizontale.

Ces caractéristiques relient ainsi l'aspect géologique du problème à l'hydrodynamique et à

la géochimie.

Pour sérier les questions et rechercher de proche en proche les causes de la dégradation de

l'indice de réinjectivité dans les réservoirs argilo-gréseux en progressant du simple au complexe

dans les expériences de percolation, nous avions pensé à travailler :

- sur des matériaux artificiels neutres avec un fluide neutre puis un fiuide contrôlé et enfin

une saumure géothermale réelle,

- sur des grès uniquement quartzeux en suivant la même progressivité dans la complexité

du fluide de percolation,

- sur des grès "analogues" aux grès réservoirs du Trias d'Achères, Cergy et Melleray,

- sur les rares fragments de carottes de grès de Melleray en notre possession, avec toujours

la même série de fluides du neutre à la saumure naturelle.

Enfin une série d'expériences sur divers matériaux était prévue impliquant des fluides

traités en vue du décolmatage ou du non colmatage des pores du réservoir.

Nous caressions ainsi l'espoir de pouvoir de cette manière faire clairement porter les parts

de responsabilité aux particules en suspension, aux dissolutions et précipitations chimiques etc..

dans le phénomène global du colmatage et de tester et certifier les méthodes de traitement du

fluide avant sa réinjection dans l'aquifère.

89SGN1413E/IRG 41

CONTRAT TRIAS

MELLERAY 2GMY2

LITHOLOGIECORRELATIONS

MELLERAY 1Î.SS QMY1! • > > * • • nor

IS»-

C R i Brfl.Mti.ii« w n l kRio : R*IIÉH<HH M ta m In«! an n (Coin

LTTHOUWI [ Data»« calcain ai olcsH

1 i HtifctIvIM M n l nZ O C 1 tarn >n«MltK»

PROOUCTRICCS i •• la ) W M B I W lca•ttOftAILEt * U v lali par nia«—r

Figure 14 - Corrélations lithologiques et diagraphiques du réservoir de Melleray

42 89SGNM4I3E/IRG

RAPPORT FINAL

à l'azotz

Lamz mince. poun ztudzau nu.cA.oi cope optiquz.E&AOÀ. au QTM de qwnvLLfaicAtion dzVZApacz potizux.HiCAOàcopz itzctKOYiiqixt à batayaqzMecate du &pzc£*.& poieux au.Vztzwru.na.tion dz ta ¿wi^aczou au kn.ypton.Oe.teJunina.tion dz ta. deniitzAnaZyiZ ciiÀmiqazSpzctiz dz fw.yon& XVztzAminaXion dz ta pz/unzabiZitz à VaJ.fi.

Rí&¿&£ancz a ta compA.z¿¿ion iimptzRzAiAtancz à ta tACLCÜon

dzi ondzi acóuiXJ.QUZA.

Figure 15 - Schéma de principe du suivi pétrophysique des expériences de percolation

89SGNU13E/1RG 43

CONTRAT TRIAS

PHOTO 1 : /.AME MINCE W° 8327

du ni&tau. poreux fcn noin.)dz

NoteA ¿'e-ncombA.eme.nt de,

PHOTO 2 LAME M7WCE W° ^327I* de\c. 1986]

VÍÜLÜL d'un poK.0.cíe nío^onmation

(T) KaoUrUUÇt) IlCUe.

d'

Figure 16 - Photographies de lames minces de grès des Vosges

44 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Les expériences ont surtout été efí"ectuées sur des grès naturels proches des grès du Trias de

Melleray et avec des saumures géothermales naturelles de Melleray et de Villefranche-sur-Cher.

Le schéma de principe du suivi pétrophysique des expériences de percolation est indiqué sur

la figure 15.

3.2 - LES GRÈS PLUS OU MOINS ARGILEUX

Les grès des réservoirs sont constitués d'un assemblage de grains de taille et de minéralogie

diverses réunis par un ciment plus ou moins abondant et déterminant une porosité plus ou moins

grande et tortueuse. Ici nous voyons sur une lame mince de grès des Vosges (figure 16) des grains

de quartz (gris soutenus) de 50 à 400 p de diamètre de forme arrondie à subanguleuse et des grains

de feldspath (gris clair) parfois fracturés et altérés de 100 à 500 p de diamètre. Ces grains jointifs

délimitant une bonne porosité, ici en noir imprégnée de résine colorée. Les pores peuvent atteindre

300 à 400 p dans leur plus grande dimension et sont reliés entre eux par de fins canalicules. Dans

le détail (photo 2 détail de la précédente) les pores se montrent encombrés d'un matériel argileux

lâche à micro, porosité (2 - 50 p) bien visible. De plus les grains sont souvent tapissés d'une gaine

également argileuse.

Autour de ce schéma toutes les variations sont possibles quant à la taille, la nature et la

forme des grains, l'abondance, la forme et l'occupation des pores.

La porosité, qui doit assurer le transit et le stockage des fluides réinjectés apparaît donc

comme un milieu fort complexe et tortueux.

Par injection de mercure sous pression, on accède à une certaine quantification et à une

modélisation simplifiée de cet espace poreux et on détermine des "rayons équivalent d'entrée de

pores" pour la porosité interconnectée. Les pores isolés non accessibles au mercure ne sont, bien

sûr, pas comptabilisés.

89SGN1413E,1RG 45

RAPPORT FINAL

Les expériences ont surtout été efí"ectuées sur des grès naturels proches des grès du Trias de

Melleray et avec des saumures géothermales naturelles de Melleray et de Villefranche-sur-Cher.

Le schéma de principe du suivi pétrophysique des expériences de percolation est indiqué sur

la figure 15.

3.2 - LES GRÈS PLUS OU MOINS ARGILEUX

Les grès des réservoirs sont constitués d'un assemblage de grains de taille et de minéralogie

diverses réunis par un ciment plus ou moins abondant et déterminant une porosité plus ou moins

grande et tortueuse. Ici nous voyons sur une lame mince de grès des Vosges (figure 16) des grains

de quartz (gris soutenus) de 50 à 400 p de diamètre de forme arrondie à subanguleuse et des grains

de feldspath (gris clair) parfois fracturés et altérés de 100 à 500 p de diamètre. Ces grains jointifs

délimitant une bonne porosité, ici en noir imprégnée de résine colorée. Les pores peuvent atteindre

300 à 400 p dans leur plus grande dimension et sont reliés entre eux par de fins canalicules. Dans

le détail (photo 2 détail de la précédente) les pores se montrent encombrés d'un matériel argileux

lâche à micro, porosité (2 - 50 p) bien visible. De plus les grains sont souvent tapissés d'une gaine

également argileuse.

Autour de ce schéma toutes les variations sont possibles quant à la taille, la nature et la

forme des grains, l'abondance, la forme et l'occupation des pores.

La porosité, qui doit assurer le transit et le stockage des fluides réinjectés apparaît donc

comme un milieu fort complexe et tortueux.

Par injection de mercure sous pression, on accède à une certaine quantification et à une

modélisation simplifiée de cet espace poreux et on détermine des "rayons équivalent d'entrée de

pores" pour la porosité interconnectée. Les pores isolés non accessibles au mercure ne sont, bien

sûr, pas comptabilisés.

89SGN1413E,1RG 45

RAPPORT FINAL

^i7G) REV.VOL GRES DES VOSGES

Carrière de BUST (Bas Rhin)

Porosité total : 14,7%

Densité : 2,24Densité des groins : 2,6

0,01 0,1 1 10

PORE RADIUS (p)

Figure 17 - Spectre poreux du "grès des Vosges" - Carrière du Bust (Bas-Rhin)

Ainsi pour le grès rouge des Vosges - carrière de Bust (Bas-Rhin), de densité globale 2,24 et

avec des grains de densité de 2,6, la porosité mercure a été mesurée égale à 14,7 %. Elle se répartit

comme l'indique la figure 17 : 20 % de la porosité totale est ainsi due à des pores de 10 à 17 p de

rayons d'entrée ; 50 % est due à des pores de plus de 5,8 p de rayon d'entrée. Inférieure à ce rayon,

la micro porosité n'est pas négligeable. Si l'on se rapproche des photos de lame mince

précédemment décrites on peut penser qu'elle est due à la microporosité développée dans le

remplissage argileux de pores.

3.3 LES SUIVIS DES EXPÉRIENCES DE PERCOLATIONS

La caractérisation des matériaux qui devaient subir les essais de percolation de même que

la recherche des efí"ets du transit du fluide sur les grains aussi bien que dans les pores ont été

organisées selon le schéma de principe ci-joint (tableau 4).

Sur les matériaux peu abondants (carottes de sondage) ont été effectuées des études

pétrographiques sur lame mince et au Microscope Electronique à balayage (MEB), sur esquille,

des mesures de densité et porosité au porosimètre à mercure des analyses ICP et RX.

89SGN1413E/IRG 47

RAPPORT FINAL

^i7G) REV.VOL GRES DES VOSGES

Carrière de BUST (Bas Rhin)

Porosité total : 14,7%

Densité : 2,24Densité des groins : 2,6

0,01 0,1 1 10

PORE RADIUS (p)

Figure 17 - Spectre poreux du "grès des Vosges" - Carrière du Bust (Bas-Rhin)

Ainsi pour le grès rouge des Vosges - carrière de Bust (Bas-Rhin), de densité globale 2,24 et

avec des grains de densité de 2,6, la porosité mercure a été mesurée égale à 14,7 %. Elle se répartit

comme l'indique la figure 17 : 20 % de la porosité totale est ainsi due à des pores de 10 à 17 p de

rayons d'entrée ; 50 % est due à des pores de plus de 5,8 p de rayon d'entrée. Inférieure à ce rayon,

la micro porosité n'est pas négligeable. Si l'on se rapproche des photos de lame mince

précédemment décrites on peut penser qu'elle est due à la microporosité développée dans le

remplissage argileux de pores.

3.3 LES SUIVIS DES EXPÉRIENCES DE PERCOLATIONS

La caractérisation des matériaux qui devaient subir les essais de percolation de même que

la recherche des efí"ets du transit du fluide sur les grains aussi bien que dans les pores ont été

organisées selon le schéma de principe ci-joint (tableau 4).

Sur les matériaux peu abondants (carottes de sondage) ont été effectuées des études

pétrographiques sur lame mince et au Microscope Electronique à balayage (MEB), sur esquille,

des mesures de densité et porosité au porosimètre à mercure des analyses ICP et RX.

89SGN1413E/IRG 47

CONTRAT TRIAS

Sur des matériaux disponibles en quantité soit parce que prélevés en carrières, soit parce

que produits industriellement : les caractéristiques mécaniques et vitesse des ondes acoustiques

ont été recherchées en complément. L'idée guide étant que par le biais de la vitesse de propagation

des ondes sonores sur échantillons, on pouvait espérer une extrapolation aux grès en place dans les

réservoirs où les diagraphies acoustique sont normalement enregistrées.

Sur la carotte après percolation, compte-tenu de la petitesse des volumes disponibles

surtout dans le cas des carottes de 15 mm de longueur les essais devaient obligatoirement être

limités. Dans la pratique, les observations au MEB et les mesures de porosité au mercure se sont

avérées les méthodes privilégiées pour tenter des comparaisons avant et après les percolations.

Le tableau synthétique de caractérisation des échantillons ci-joint résume les

investigations efí'ectuées sur les différents matériaux.

3.4 - LES MATÉRIAUX DES EXPÉRIENCES (cf. tableau synthétique)

3.4.1 - Matériaux industriels

a) Mullite Corindon MX 70

La Mullite est un réfractaire silico-alumineux industriel dense et peu poreux. Sa grande

dureté, sa faible surface spécifique (0,04 m2/g) ont fait renoncer temporairement aux essais de

percolation sur ce matériau.

b)Aérolith20

L'Aérolith est un matériau siliceux utilisé comme filtre industriel. Sa densité est faible

(1.36). Sa porosité est très importante (45 %) sans micro ni infraporosité, elle est assurée à 70%

par des pores dont le rayon d'entrée est supérieur à 20 p.

48 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Sur des matériaux disponibles en quantité soit parce que prélevés en carrières, soit parce

que produits industriellement : les caractéristiques mécaniques et vitesse des ondes acoustiques

ont été recherchées en complément. L'idée guide étant que par le biais de la vitesse de propagation

des ondes sonores sur échantillons, on pouvait espérer une extrapolation aux grès en place dans les

réservoirs où les diagraphies acoustique sont normalement enregistrées.

Sur la carotte après percolation, compte-tenu de la petitesse des volumes disponibles

surtout dans le cas des carottes de 15 mm de longueur les essais devaient obligatoirement être

limités. Dans la pratique, les observations au MEB et les mesures de porosité au mercure se sont

avérées les méthodes privilégiées pour tenter des comparaisons avant et après les percolations.

Le tableau synthétique de caractérisation des échantillons ci-joint résume les

investigations efí'ectuées sur les différents matériaux.

3.4 - LES MATÉRIAUX DES EXPÉRIENCES (cf. tableau synthétique)

3.4.1 - Matériaux industriels

a) Mullite Corindon MX 70

La Mullite est un réfractaire silico-alumineux industriel dense et peu poreux. Sa grande

dureté, sa faible surface spécifique (0,04 m2/g) ont fait renoncer temporairement aux essais de

percolation sur ce matériau.

b)Aérolith20

L'Aérolith est un matériau siliceux utilisé comme filtre industriel. Sa densité est faible

(1.36). Sa porosité est très importante (45 %) sans micro ni infraporosité, elle est assurée à 70%

par des pores dont le rayon d'entrée est supérieur à 20 p.

48 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

500

(%)

250-

(MMVG) REV.VOL AEROUTH 20Porosité totale ; 44,7%Densité : 1,36

000000 000

0,01 0,1 I

PORE RADIUS (|ilIOO

Figure 18 - Spectre de porosité de l'Aérolith 20

Cette distribution de la porosité et la perméabilité tant à l'air (35.657 mD) qu'à l'eau

(250 mD) très importantes expliquent que, dans les expériences de percolation, les dilTérences de

pressions entre l'amont et l'aval de l'échantillon aient été trop faibles pour être significatives et

interprétables (exp. n°4).

c) Conclusions sur les matériaux industriels

Les essais de percolation sur matériaux industriels chimiquement et pétrographiquement

"simples" à réseau poreux "propres" et homogènes devaient permettre, par comparaison avec les

essais sur des grès argileux, de mieux apprécier dans le phénomène de colmatage

l'hydrodynamique, le rôle du fluide et des particules en suspension, en éliminant le rôle des

particules mobiles présentes dans les grès réservoirs et les réactions chimiques d'un milieu

complexe. A l'heure actuelle, la mise au point d'un protocole d'essai - choix des matériaux, gamme

de porosité-perméabilité à retenir - peut être faite pour que les expériences de percolation à

entreprendre soient interprétables.

89SGN1413E/IRG 49

RAPPORT FINAL

500

(%)

250-

(MMVG) REV.VOL AEROUTH 20Porosité totale ; 44,7%Densité : 1,36

000000 000

0,01 0,1 I

PORE RADIUS (|ilIOO

Figure 18 - Spectre de porosité de l'Aérolith 20

Cette distribution de la porosité et la perméabilité tant à l'air (35.657 mD) qu'à l'eau

(250 mD) très importantes expliquent que, dans les expériences de percolation, les dilTérences de

pressions entre l'amont et l'aval de l'échantillon aient été trop faibles pour être significatives et

interprétables (exp. n°4).

c) Conclusions sur les matériaux industriels

Les essais de percolation sur matériaux industriels chimiquement et pétrographiquement

"simples" à réseau poreux "propres" et homogènes devaient permettre, par comparaison avec les

essais sur des grès argileux, de mieux apprécier dans le phénomène de colmatage

l'hydrodynamique, le rôle du fluide et des particules en suspension, en éliminant le rôle des

particules mobiles présentes dans les grès réservoirs et les réactions chimiques d'un milieu

complexe. A l'heure actuelle, la mise au point d'un protocole d'essai - choix des matériaux, gamme

de porosité-perméabilité à retenir - peut être faite pour que les expériences de percolation à

entreprendre soient interprétables.

89SGN1413E/IRG 49

C0NTR.1lT TRIAS

3.4.2 - Matériaux naturels - Les grès (cf. tableau synthétique)

a) Grès propres uniquement siliceux

Pour des expériences de percolation dans un réseau poreux naturellement complexe mais

minéralogiquement simple, nous avons prélevés des carottes dans des "grès de Fontainebleau", à

Darvault (Seine et Marne) et Beauchamp (Oise). Ce sont des grès constitués presque

exclusivement de grains de quartz bien arrondis, très bien classés ayant retrouvé par nourrissage

des formes cristallines exceptionnellement propres et planes. Les minéraux lourds sont très rares

et les amas calcitiques de néogenèse ont été épigénisés en silice. Le réseau poreux apparaît propre,

sans argile ni particules mobiles.

Les expériences de percolation dans les grès de Darvault (1984-1985) avec un appareil de

laboratoire (J.F. Sureau et al., 1984 et 1985) ont induit un déjointement des grains (Ch.Robelin,

J.P. Cautru, 1985) mais aucune modification pétrographique observable au MEB. L'expérience

n''7 avec le percolateur, sur le grès de Beauchamps n'a pas montré de pertes significatives, la

perméabilité au cours de l'expérience qui a duré 2,5 jours, à 4 kg/h d'eau géothermale de Melleray.

b) Grès argileux

Après les expériences de percolation de 1983-84 avec un appareil de laboratoire sur les grès

de Melleray provenant des carottes de GMYl (J.F. Sureau et al., 1984), les matériaux "analogues"

ont été recherchés pour les essais suivants avec un percolateur. Pour disposer de matériel

abondant dont on pourrait être prodigue (essais technologiques, mise au point de processus...) nous

avons retenu des grès argileux de même histoire géologique donc de faciès pétrographique

analogue à ceux de Melleray quand bien même n'étaient-ils pas de même âge. Nous avons ainsi

prélevé en carrière à Bust (Bas Rhin) des "grès rouges des Vosges" et, à Vacqueville et Bremenil

(Meurthe et Moselle) des "grès à meules" de Buntsandstein (Trias inf.).

En provenance de sondages - Seings en Sologne (1) - Villefranche-sur-Cher VR5 (1) -

Achères géothermie (2) - Couy-Sancerre GPFl (3) - nous avons recueillis quelques précieux

fragments de carottes de grès triasiques réservoirs destinés à des expériences se rapprochant plus

des injections in situ.

Nota : La mise à disposition de ces échantillons à forages sont dues à(1) Gaz de France(2) Géotherma(3) DS du BRGM - Programme Géologie Profonde de la France

que nous remercions ici très vivement.

50 89SGN1413E/1RG

C0NTR.1lT TRIAS

3.4.2 - Matériaux naturels - Les grès (cf. tableau synthétique)

a) Grès propres uniquement siliceux

Pour des expériences de percolation dans un réseau poreux naturellement complexe mais

minéralogiquement simple, nous avons prélevés des carottes dans des "grès de Fontainebleau", à

Darvault (Seine et Marne) et Beauchamp (Oise). Ce sont des grès constitués presque

exclusivement de grains de quartz bien arrondis, très bien classés ayant retrouvé par nourrissage

des formes cristallines exceptionnellement propres et planes. Les minéraux lourds sont très rares

et les amas calcitiques de néogenèse ont été épigénisés en silice. Le réseau poreux apparaît propre,

sans argile ni particules mobiles.

Les expériences de percolation dans les grès de Darvault (1984-1985) avec un appareil de

laboratoire (J.F. Sureau et al., 1984 et 1985) ont induit un déjointement des grains (Ch.Robelin,

J.P. Cautru, 1985) mais aucune modification pétrographique observable au MEB. L'expérience

n''7 avec le percolateur, sur le grès de Beauchamps n'a pas montré de pertes significatives, la

perméabilité au cours de l'expérience qui a duré 2,5 jours, à 4 kg/h d'eau géothermale de Melleray.

b) Grès argileux

Après les expériences de percolation de 1983-84 avec un appareil de laboratoire sur les grès

de Melleray provenant des carottes de GMYl (J.F. Sureau et al., 1984), les matériaux "analogues"

ont été recherchés pour les essais suivants avec un percolateur. Pour disposer de matériel

abondant dont on pourrait être prodigue (essais technologiques, mise au point de processus...) nous

avons retenu des grès argileux de même histoire géologique donc de faciès pétrographique

analogue à ceux de Melleray quand bien même n'étaient-ils pas de même âge. Nous avons ainsi

prélevé en carrière à Bust (Bas Rhin) des "grès rouges des Vosges" et, à Vacqueville et Bremenil

(Meurthe et Moselle) des "grès à meules" de Buntsandstein (Trias inf.).

En provenance de sondages - Seings en Sologne (1) - Villefranche-sur-Cher VR5 (1) -

Achères géothermie (2) - Couy-Sancerre GPFl (3) - nous avons recueillis quelques précieux

fragments de carottes de grès triasiques réservoirs destinés à des expériences se rapprochant plus

des injections in situ.

Nota : La mise à disposition de ces échantillons à forages sont dues à(1) Gaz de France(2) Géotherma(3) DS du BRGM - Programme Géologie Profonde de la France

que nous remercions ici très vivement.

50 89SGN1413E/1RG

RAPPORT FINAL

Enfin, pour comparer aux expériences connues dans la littérature, des grès de Béréa ont été

acquis : le Beréa sandstone étant la référence dans l'industrie pétrolière.

Les expériences de 1986-1987 n°l-2-3-5 et 6 ont été faits sur les grès rouges des Vosges sur

le site et avec des fluides de Melleray, les expériences n°8-9-10 dans les mêmes conditions sur des

grès à Meules. Les expériences n°23-24-25 et 26 ont été réalisées sur le site et avec le fluide de

Villefranche-sur-Cher sur des Beréa sandstones et les expériences 20-21 et 22 sur les grès à

Meules.

On lira, chapitre 4, les compte rendus de ces expériences de percolation.

1) Les Berea sandstones (Robelin Ch., Martin P., Cautru J.P., 1988)

Le grès de Berea est une quartz-arénite fine, légèrement feldspathique et micacé à texture

jointive. Les quartz sont partiellement nourris montrant des faces automorphes. Les minéraux

lourds sont très peu abondants.

Les feldspaths sont altérés et des kaolinites de néogenèse se sont développées dans la

porosité en tablettes trapues organisées parfois en dactyles. Les autres argiles, illite et chlorite,

sont rares. Malgré sa complexité l'espace poreux apparaît très "propre".

Mesurée au porosimètre à mercure, la porosité totale est de 21,2% ; elle est assurée pour

plus de la moitié par des pores de rayon d'entrée supérieure à 10 p. La microporosité est faible et

l'infraporosité quasi nulle (14 % de la porosité totale ont des rayons d'entrée inférieurs à 1 p.

Après percolation (exp. n°23-24-25 et 26) aucune modification significative de la roche n'est

apparue au MEB ni dans la morphologie ni dans la localisation des minéraux argileux. L'aspect de

la porosité apparaît inchangé tant à proximité de la face d'entrée du fluide que près de la face de

sortie.

Le matériel recueilli sur le filtre en aval des carottes soumises à percolation montre en

diffractométrie X une large prépondérance de la kaolinite (65 à 90 % du résidu total) avec illite (10

à 20 %) subordonnée et chlorite rare (1-5 %). Après l'expérience 26,1 % de smectite apparaît sur le

filtre, 1 % de palygorskite après l'expérience 25 et 5 % après l'expérience 24.

89SGN1413E/IRG 51

RAPPORT FINAL

Enfin, pour comparer aux expériences connues dans la littérature, des grès de Béréa ont été

acquis : le Beréa sandstone étant la référence dans l'industrie pétrolière.

Les expériences de 1986-1987 n°l-2-3-5 et 6 ont été faits sur les grès rouges des Vosges sur

le site et avec des fluides de Melleray, les expériences n°8-9-10 dans les mêmes conditions sur des

grès à Meules. Les expériences n°23-24-25 et 26 ont été réalisées sur le site et avec le fluide de

Villefranche-sur-Cher sur des Beréa sandstones et les expériences 20-21 et 22 sur les grès à

Meules.

On lira, chapitre 4, les compte rendus de ces expériences de percolation.

1) Les Berea sandstones (Robelin Ch., Martin P., Cautru J.P., 1988)

Le grès de Berea est une quartz-arénite fine, légèrement feldspathique et micacé à texture

jointive. Les quartz sont partiellement nourris montrant des faces automorphes. Les minéraux

lourds sont très peu abondants.

Les feldspaths sont altérés et des kaolinites de néogenèse se sont développées dans la

porosité en tablettes trapues organisées parfois en dactyles. Les autres argiles, illite et chlorite,

sont rares. Malgré sa complexité l'espace poreux apparaît très "propre".

Mesurée au porosimètre à mercure, la porosité totale est de 21,2% ; elle est assurée pour

plus de la moitié par des pores de rayon d'entrée supérieure à 10 p. La microporosité est faible et

l'infraporosité quasi nulle (14 % de la porosité totale ont des rayons d'entrée inférieurs à 1 p.

Après percolation (exp. n°23-24-25 et 26) aucune modification significative de la roche n'est

apparue au MEB ni dans la morphologie ni dans la localisation des minéraux argileux. L'aspect de

la porosité apparaît inchangé tant à proximité de la face d'entrée du fluide que près de la face de

sortie.

Le matériel recueilli sur le filtre en aval des carottes soumises à percolation montre en

diffractométrie X une large prépondérance de la kaolinite (65 à 90 % du résidu total) avec illite (10

à 20 %) subordonnée et chlorite rare (1-5 %). Après l'expérience 26,1 % de smectite apparaît sur le

filtre, 1 % de palygorskite après l'expérience 25 et 5 % après l'expérience 24.

89SGN1413E/IRG 51

CONTRAT TRIAS

2) Le grès rouge des V^osges

Le grès des Vosges est très caractéristique des grès triasiques réservoirs du Bassin de Paris.

Largement exploité en carrière c'est un matériau idéal par sa représentativité. Nous en avons

prélevé abondamment dans la carrière de BUST (Bas Rhin).

C'est une quartz-arénite feldspathique et micacée à texture jointive.

Les minéraux lourds, hornblende ou amphibole, sont rares. Les feldspaths potassiques sont

fréquemment altérés et des néogenèses de kaolinite sont fréquentes, le plus souvent agencées en

dactyles. Les grains de quartz sont souvent nourris par du quartz de néogenèse et sont parfois

tapissés d'illite en nid d'abeille ou en filaments ténus. La porosité originelle en est réduite

d'autant.

La porosité totale est d'environ 15 %. Elle est assurée pour la moitié par des pores de 5 p de

rayon d'entrée. L'infraporosité est importante puisque 30% des pores ont moins de 1 p de rayon

d'entrée.

Après les expériences de percolation (exp. n"'l-2-3-5 et 6) sur le site et avec le fluide de

Melleray et les diminutions enregistrées de la perméabilité, la porosité totale mesurée au mercure

apparaît plus importante (19,8 % après l'expérience n°2 et 17,6% après l'exp. n°6) avec une

macroporosité (^ 10-20 p) plus développée. Cette augmentation assez faible peut n'être pas

significative et peut rester dans le domaine de variabilité d'un échantillon naturel.

L'aspect de la roche du MEB apparaît très "englué" après les expériences n''2 et 3 comme par

un feutrage des illites en nid d'abeilles ou un dépôt des particules en suspension dans le fluide de

percolation. En revanche, l'aspect poreux semble quasiment intact après l'expérience n°6 avec

cependant des décollements locaux du voile illitique tapissant les grains.

Le matériel recueilli sur le filtre à la suite de l'expérience n°6 est constitué d'amas

complexes probablement hérités des argiles, de grains de quartz arrachés au grès et de particules

métalliques en provenance vraisemblablement de l'appareillage lui-même. Les oxydes de fer

forment sur le filtre une pellicule ocre généralisée.

3) Les grès à Meules

Le grès à Meules a été prélevé dans une carrière abandonnée de Vaqueville (Meurthe et

Moselle). C'est une quartz-arénite feldspathique et micacée à texture jointive. Les feldspaths

potassiques sont peu altérés, les micas en longues baguettes flexueuses sont rares de même que les

minéraux lourds (amphiboles, oxydes, minéraux opaques). Un léger nourrissage des quartz tend à

52 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

2) Le grès rouge des V^osges

Le grès des Vosges est très caractéristique des grès triasiques réservoirs du Bassin de Paris.

Largement exploité en carrière c'est un matériau idéal par sa représentativité. Nous en avons

prélevé abondamment dans la carrière de BUST (Bas Rhin).

C'est une quartz-arénite feldspathique et micacée à texture jointive.

Les minéraux lourds, hornblende ou amphibole, sont rares. Les feldspaths potassiques sont

fréquemment altérés et des néogenèses de kaolinite sont fréquentes, le plus souvent agencées en

dactyles. Les grains de quartz sont souvent nourris par du quartz de néogenèse et sont parfois

tapissés d'illite en nid d'abeille ou en filaments ténus. La porosité originelle en est réduite

d'autant.

La porosité totale est d'environ 15 %. Elle est assurée pour la moitié par des pores de 5 p de

rayon d'entrée. L'infraporosité est importante puisque 30% des pores ont moins de 1 p de rayon

d'entrée.

Après les expériences de percolation (exp. n"'l-2-3-5 et 6) sur le site et avec le fluide de

Melleray et les diminutions enregistrées de la perméabilité, la porosité totale mesurée au mercure

apparaît plus importante (19,8 % après l'expérience n°2 et 17,6% après l'exp. n°6) avec une

macroporosité (^ 10-20 p) plus développée. Cette augmentation assez faible peut n'être pas

significative et peut rester dans le domaine de variabilité d'un échantillon naturel.

L'aspect de la roche du MEB apparaît très "englué" après les expériences n''2 et 3 comme par

un feutrage des illites en nid d'abeilles ou un dépôt des particules en suspension dans le fluide de

percolation. En revanche, l'aspect poreux semble quasiment intact après l'expérience n°6 avec

cependant des décollements locaux du voile illitique tapissant les grains.

Le matériel recueilli sur le filtre à la suite de l'expérience n°6 est constitué d'amas

complexes probablement hérités des argiles, de grains de quartz arrachés au grès et de particules

métalliques en provenance vraisemblablement de l'appareillage lui-même. Les oxydes de fer

forment sur le filtre une pellicule ocre généralisée.

3) Les grès à Meules

Le grès à Meules a été prélevé dans une carrière abandonnée de Vaqueville (Meurthe et

Moselle). C'est une quartz-arénite feldspathique et micacée à texture jointive. Les feldspaths

potassiques sont peu altérés, les micas en longues baguettes flexueuses sont rares de même que les

minéraux lourds (amphiboles, oxydes, minéraux opaques). Un léger nourrissage des quartz tend à

52 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

leur redonner leur forme automorphe. Les minéraux argileux encombrant les pores sont de la

kaolinite en tablettes plus ou moins organisée en dactyles, et des illites aux formes déchiquetées

ou filamenteuses.

Le spectre de porosité au mercure montre une distribution régulière des rayons d'entrée de

pores de part et d'autre de 5 p. La moitié de la porosité totale (23,5 %) est assurée par des pores

supérieurs à 3 p de rayon d'entrée.

Après les expériences 8 et 10 des mesures de la porosité ont été refaites au mercure. La

distribution des spectres poreux ne montre pas d'évolution significative, les variations observées

peuvent être dues à la variation naturelle du matériau entre deux carottes voisines sur un même

bloc ou encore entre les faces d'entrée et de sortie du fluide de percolation pour un même

échantillon (exp. n'S).

Au MEB le matériau ne semble pas perturbé par les percolations. Aucune différence

sensible n'apparaît dans les comparaisons avec les échantillons avant expériences sauf peut-être

quelques feutrages et rabattements locaux de filaments d'illite.

Les particules recueillies sur les filtres ont été observées au MEB. Ce sont des esquilles de

quartz et de feldspath et des agrégats argileux arrachés mécaniquement à la roche.

c) Conclusion sur les matériaux naturels

Sur les grès propres du ty^pe grès de Fontainebleau, les grès argileux, Berea sandstone et

grès à Meules, les chutes de la perméabilité entraînée par les expériences de percolation ne

semblent pas s'être traduites par des modifications observables au microscope électronique à

balayage, ni dans l'arrangement des grains ni dans l'aspect de l'espace poreux. Tout au plus a-t-on

pu noter des rabattements locaux de filaments d'illite et des déchirures du voile argileux. Sur les

grès des Vosges les spectres poreux ne semblent pas modifiés après les percolations mais après les

expériences 2 et 3 la morphologie au MEB apparaît comme enduite d'un épais voile argileux

recouvrant les grains et faisant disparaître tout détail.

89SGN1413E/IRG 53

RAPPORT FINAL

leur redonner leur forme automorphe. Les minéraux argileux encombrant les pores sont de la

kaolinite en tablettes plus ou moins organisée en dactyles, et des illites aux formes déchiquetées

ou filamenteuses.

Le spectre de porosité au mercure montre une distribution régulière des rayons d'entrée de

pores de part et d'autre de 5 p. La moitié de la porosité totale (23,5 %) est assurée par des pores

supérieurs à 3 p de rayon d'entrée.

Après les expériences 8 et 10 des mesures de la porosité ont été refaites au mercure. La

distribution des spectres poreux ne montre pas d'évolution significative, les variations observées

peuvent être dues à la variation naturelle du matériau entre deux carottes voisines sur un même

bloc ou encore entre les faces d'entrée et de sortie du fluide de percolation pour un même

échantillon (exp. n'S).

Au MEB le matériau ne semble pas perturbé par les percolations. Aucune différence

sensible n'apparaît dans les comparaisons avec les échantillons avant expériences sauf peut-être

quelques feutrages et rabattements locaux de filaments d'illite.

Les particules recueillies sur les filtres ont été observées au MEB. Ce sont des esquilles de

quartz et de feldspath et des agrégats argileux arrachés mécaniquement à la roche.

c) Conclusion sur les matériaux naturels

Sur les grès propres du ty^pe grès de Fontainebleau, les grès argileux, Berea sandstone et

grès à Meules, les chutes de la perméabilité entraînée par les expériences de percolation ne

semblent pas s'être traduites par des modifications observables au microscope électronique à

balayage, ni dans l'arrangement des grains ni dans l'aspect de l'espace poreux. Tout au plus a-t-on

pu noter des rabattements locaux de filaments d'illite et des déchirures du voile argileux. Sur les

grès des Vosges les spectres poreux ne semblent pas modifiés après les percolations mais après les

expériences 2 et 3 la morphologie au MEB apparaît comme enduite d'un épais voile argileux

recouvrant les grains et faisant disparaître tout détail.

89SGN1413E/IRG 53

RAPPORT FINAL

4 - RÉSULTATS HYDRAULIQUES DESEXPÉRIENCES DE PERCOLATION SURCAROTTE

4.1 - RAPPELS DES CONDITIONS EXPÉRIMENTALES

4.1.1 Equipement de mesure

Pour le détail des équipements du percolateur, le lecteur pourra se référer au chapitre 2.3.

Le schéma de principe, qui intéresse les mesures hydrauliques, figure ci-après.

Carotte

i^Filtreaval PAV

Vannede

çléctiarge

RAM Pompede mise en

pression

&-Filtreamont

Séparateureau/gaz

Figure 19 - Système de mesure sur le percolateur

Le circuit hydraulique comprend d'amont en aval :

- un filtre amont,

- un séparateur eau-gaz,

- une pompe haute pression,

- un capteur de pression amont carotte (PAM),

- la carotte de percolation (diamètre 4 cm - longueur maximale 9 cm),

- un capteur de pression aval carotte (PAV),

- uncapteur de température (T),

- un débitmètre électromagnétique (D),

- un filtre aval,

- une vanne de décharge destinée à maintenir une contre-pression dans le circuit

hydraulique.

89SGN1413E/IRG 55

RAPPORT FINAL

4 - RÉSULTATS HYDRAULIQUES DESEXPÉRIENCES DE PERCOLATION SURCAROTTE

4.1 - RAPPELS DES CONDITIONS EXPÉRIMENTALES

4.1.1 Equipement de mesure

Pour le détail des équipements du percolateur, le lecteur pourra se référer au chapitre 2.3.

Le schéma de principe, qui intéresse les mesures hydrauliques, figure ci-après.

Carotte

i^Filtreaval PAV

Vannede

çléctiarge

RAM Pompede mise en

pression

&-Filtreamont

Séparateureau/gaz

Figure 19 - Système de mesure sur le percolateur

Le circuit hydraulique comprend d'amont en aval :

- un filtre amont,

- un séparateur eau-gaz,

- une pompe haute pression,

- un capteur de pression amont carotte (PAM),

- la carotte de percolation (diamètre 4 cm - longueur maximale 9 cm),

- un capteur de pression aval carotte (PAV),

- uncapteur de température (T),

- un débitmètre électromagnétique (D),

- un filtre aval,

- une vanne de décharge destinée à maintenir une contre-pression dans le circuit

hydraulique.

89SGN1413E/IRG 55

CONTRAT TRIAS

Ce montage permet de connaître le différenciel de pression amont-aval de la carotte et de

calculer ainsi la perméabilité de celle-ci au cours des expériences.

4.1.2 - Enregistrement des données

L'ensemble des capteurs est relié à un système d'acquisition de données informatiques dont

la description figure dans le chapitre 2.3.

4.1.3 - Les carottes et les fluides utilisés

Au cours des différentes expériences de percolation, qui ont été réalisées et analysées du

point de vue hydraulique, on a testé les matériaux suivants :

. grès des Vosges (site de Melleray),

. grès à Meules (sites de Melleray et de Villefranche),

. Berea sandstones (site de Villefranche).

. Aerolith 20 (matériau artificiel).

Les expériences de percolation ont eu lieu sur deux sites qui ont permis de réaliser les

percolations avec deux tjTies de fluides très différents notamment par leur salinité.

Site de Melleray : eau à 38 g/1

Site de Villefranche : eau à 2 g/1.

La description détaillée des matériaux employés est faite au chapitre 3 et celle des fluides

au chapitre 5.

4.2 - RAPPELS THÉORIQUES

4.2.1 - Perméabilité

Définition

Pour une tranche mince d'épaisseur dx et de section S parcourue perpendiculairement à ses

faces par le débit Q (compté en volume à la température et à la pression moyenne de la tranche)

d'un fluide de viscosité dynamique p sous l'effet d'une différence de pression dp, la loi de Darcy

généralisée s'écrit (sans tenir compte de la pesanteur) :

^P=kïï-^'''

56 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Ce montage permet de connaître le différenciel de pression amont-aval de la carotte et de

calculer ainsi la perméabilité de celle-ci au cours des expériences.

4.1.2 - Enregistrement des données

L'ensemble des capteurs est relié à un système d'acquisition de données informatiques dont

la description figure dans le chapitre 2.3.

4.1.3 - Les carottes et les fluides utilisés

Au cours des différentes expériences de percolation, qui ont été réalisées et analysées du

point de vue hydraulique, on a testé les matériaux suivants :

. grès des Vosges (site de Melleray),

. grès à Meules (sites de Melleray et de Villefranche),

. Berea sandstones (site de Villefranche).

. Aerolith 20 (matériau artificiel).

Les expériences de percolation ont eu lieu sur deux sites qui ont permis de réaliser les

percolations avec deux tjTies de fluides très différents notamment par leur salinité.

Site de Melleray : eau à 38 g/1

Site de Villefranche : eau à 2 g/1.

La description détaillée des matériaux employés est faite au chapitre 3 et celle des fluides

au chapitre 5.

4.2 - RAPPELS THÉORIQUES

4.2.1 - Perméabilité

Définition

Pour une tranche mince d'épaisseur dx et de section S parcourue perpendiculairement à ses

faces par le débit Q (compté en volume à la température et à la pression moyenne de la tranche)

d'un fluide de viscosité dynamique p sous l'effet d'une différence de pression dp, la loi de Darcy

généralisée s'écrit (sans tenir compte de la pesanteur) :

^P=kïï-^'''

56 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

le coefiicient k étant la perméabilité intrinsèque de la tranche.

La loi de Darcy suppose :

- qu'il n'y a pas de réaction entre le fluide et la roche,

- que le fluide est monophasique.

La perméabilité dépend de la dimension des pores et de leur configuration.

Dans un milieu poreux naturel, la perméabilité peut varier avec la direction de

l'écoulement. Il faut bien se rendre compte du caractère statistique de la perméabilité, dont on ne

peut parler en un point, et qu'il faut toujours considérer comme liée à un élément de surface dont

les dimensions sont bien supérieures aux sections des canalicules.

L'équation de Darcy montre que les perméabilités sont homogènes à des surfaces.

L'unité pratique est le Darcy. On a alors :

k (Darcy) p (cpoise) dx (cm)

Q (cm3/s) dp (atm) S (cm2)

La viscosité dynamique p dépend de la nature du fluide qui traverse la carotte, de sa

température et de sa salinité.

4.2.2 - Incidence de la température sur la viscosité

La perméabilité intrinsèque, qui ne dépend que de la roche, est indépendante de la nature

du fluide et de sa température. Par contre, la chute de pression dans la carotte est proportionnelle

à la viscosité du fluide. Celle-ci est fonction de la température et de la salinité selon l'expression

suivante (d'après Kestin et Khalifa) :

logp(T,m)

P..(T)= A (m) -I- B (m) log

P^(20)

où pw (T) est la viscosité de l'eau pure, et A et B sont des fonctions de la molalité, avec

A(m) = 0.3324xl0~^m-f-0.3624xl0~^m^-0.1879xl0~^m^

B(m)= - 0.3961 X 10"^ m -(- 0.102 X 10"^ m^ - 0.702 x 10"^m^

89SGN1413E/1RG 57

RAPPORT FINAL

le coefiicient k étant la perméabilité intrinsèque de la tranche.

La loi de Darcy suppose :

- qu'il n'y a pas de réaction entre le fluide et la roche,

- que le fluide est monophasique.

La perméabilité dépend de la dimension des pores et de leur configuration.

Dans un milieu poreux naturel, la perméabilité peut varier avec la direction de

l'écoulement. Il faut bien se rendre compte du caractère statistique de la perméabilité, dont on ne

peut parler en un point, et qu'il faut toujours considérer comme liée à un élément de surface dont

les dimensions sont bien supérieures aux sections des canalicules.

L'équation de Darcy montre que les perméabilités sont homogènes à des surfaces.

L'unité pratique est le Darcy. On a alors :

k (Darcy) p (cpoise) dx (cm)

Q (cm3/s) dp (atm) S (cm2)

La viscosité dynamique p dépend de la nature du fluide qui traverse la carotte, de sa

température et de sa salinité.

4.2.2 - Incidence de la température sur la viscosité

La perméabilité intrinsèque, qui ne dépend que de la roche, est indépendante de la nature

du fluide et de sa température. Par contre, la chute de pression dans la carotte est proportionnelle

à la viscosité du fluide. Celle-ci est fonction de la température et de la salinité selon l'expression

suivante (d'après Kestin et Khalifa) :

logp(T,m)

P..(T)= A (m) -I- B (m) log

P^(20)

où pw (T) est la viscosité de l'eau pure, et A et B sont des fonctions de la molalité, avec

A(m) = 0.3324xl0~^m-f-0.3624xl0~^m^-0.1879xl0~^m^

B(m)= - 0.3961 X 10"^ m -(- 0.102 X 10"^ m^ - 0.702 x 10"^m^

89SGN1413E/1RG 57

CONTRAT TRIAS

La viscosité de l'eau pure est donnée par l'expression suivante :

logK^U 20-T

l p^. (20) 96-^T l1.2378- 1.303x10 -3 20-T + 3.06x10"^ 20-T

-h 2.55x10 - 8 20-T

avecp^, (20) = 1002pPas

Le tableau suivant donne la viscosité dynamique de l'eau pour 2 salinités différentes :

Salinité (g/I)Température (°C)

20

40

60

80

2

1.005

0.654

0.468

0.356

38

1.057

0.680

0.481

0.363

La variation de p est donc importante avec la température puisque entre 80 et 40°C la

viscosité est multipliée par un facteur 2.

4.3 - RÉSULTATS OBTENUS

4.3.1 - Les expériences - Tableau synthétique

Sur les deux sites de Melleray et de Villefranche-sur-Cher, 16 expériences de percolation

ont été réalisées. Elles sont résumées dans le tableau 5. Sur ce tableau on a indiqué :

- le site sur lequel a été réalisé l'expérience (Melleray ou Villefranche),

- le numéro de l'expérience,

- le matériau utilisé,

- la porosité mercure mesurée en laboratoire (%),

- la longueur de la carotte (de 15 à 90 mm),

- les débits et la durée totale (h) de chacune des expériences.

- la perméabilité moyenne de la carotte au cours de l'essai (milli Darcy).

- la température moyenne de l'eau (°C).

- la taille des pores des filtres amont et aval (p).

58 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

La viscosité de l'eau pure est donnée par l'expression suivante :

logK^U 20-T

l p^. (20) 96-^T l1.2378- 1.303x10 -3 20-T + 3.06x10"^ 20-T

-h 2.55x10 - 8 20-T

avecp^, (20) = 1002pPas

Le tableau suivant donne la viscosité dynamique de l'eau pour 2 salinités différentes :

Salinité (g/I)Température (°C)

20

40

60

80

2

1.005

0.654

0.468

0.356

38

1.057

0.680

0.481

0.363

La variation de p est donc importante avec la température puisque entre 80 et 40°C la

viscosité est multipliée par un facteur 2.

4.3 - RÉSULTATS OBTENUS

4.3.1 - Les expériences - Tableau synthétique

Sur les deux sites de Melleray et de Villefranche-sur-Cher, 16 expériences de percolation

ont été réalisées. Elles sont résumées dans le tableau 5. Sur ce tableau on a indiqué :

- le site sur lequel a été réalisé l'expérience (Melleray ou Villefranche),

- le numéro de l'expérience,

- le matériau utilisé,

- la porosité mercure mesurée en laboratoire (%),

- la longueur de la carotte (de 15 à 90 mm),

- les débits et la durée totale (h) de chacune des expériences.

- la perméabilité moyenne de la carotte au cours de l'essai (milli Darcy).

- la température moyenne de l'eau (°C).

- la taille des pores des filtres amont et aval (p).

58 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Pour chacun des essais, on a mesuré et enregistré en continu les variables de température,

débit, pression amont et pression aval. La totalité des courbes de restitution figure dans les compte

rendus des différentes percolations. On a reproduit ici les courbes et les résultats les plus

significatifs.

4.3.2 - Evolution de la perméabilité au cours des percolations

Pour illustrer l'évolution de la perméabilité au cours des percolations, on va décrire en

détail les observations faites lors des expériences n°6, 7, 8 et 9.

A - DESCRIPTION DE L'EXPÉRIENCE N»6

a) Caractéristiques de la carotte

Grès des Vosges D

Longueur: 15 mm

Diamètre : 4 cm (section : 12.56 cm2)

b) Caractéristiques du fluide

Fluide géothermal de GMYl

Température de percolation : variable, comprise entre 22 et 38^, selon le débit

Salinité totale : 38 g/1

c) Calendrier des opérations

N° du palier

1

2

3

4

5

Durée (h)

64 h 10

47 h 24

47 h 44

46 h 48

46 h 59

Débit (kg/h)

2

4

8

12

25

Volume (1)

128

186

380

558

1165

Volume total percolé (approximatif) : 2 420 litres

89 SGN 141 3E/IRG 59

RAPPORT FINAL

Pour chacun des essais, on a mesuré et enregistré en continu les variables de température,

débit, pression amont et pression aval. La totalité des courbes de restitution figure dans les compte

rendus des différentes percolations. On a reproduit ici les courbes et les résultats les plus

significatifs.

4.3.2 - Evolution de la perméabilité au cours des percolations

Pour illustrer l'évolution de la perméabilité au cours des percolations, on va décrire en

détail les observations faites lors des expériences n°6, 7, 8 et 9.

A - DESCRIPTION DE L'EXPÉRIENCE N»6

a) Caractéristiques de la carotte

Grès des Vosges D

Longueur: 15 mm

Diamètre : 4 cm (section : 12.56 cm2)

b) Caractéristiques du fluide

Fluide géothermal de GMYl

Température de percolation : variable, comprise entre 22 et 38^, selon le débit

Salinité totale : 38 g/1

c) Calendrier des opérations

N° du palier

1

2

3

4

5

Durée (h)

64 h 10

47 h 24

47 h 44

46 h 48

46 h 59

Débit (kg/h)

2

4

8

12

25

Volume (1)

128

186

380

558

1165

Volume total percolé (approximatif) : 2 420 litres

89 SGN 141 3E/IRG 59

CONTRAT TRIAS

Site

MELLEKAY

VIl.l.KFKANCHE

Numéro del'eitpérience

1

2

3

4(1)

5

6

8

9

10

20

21

22(21

23

24(2)

25(3)

26(3)

Matériau

Grès des VosgesI)

Grès des VosgesI)

Grès des Vosges1)

Aerolilh20

Grès des Vosgesn

Grès des VosgesI)

Urès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grèsi meules

Bereasandstones

Hercasandstones

Bereasandstones

Bereasandstones

Porosité

12

12

12

49

13

12

23

23

23

23

23

23

22

22

22

22

Longueurde la carotte

(mm)

90

90

15

90

90

15

90

90

30

40

30

30

30

90

90

90

PalierDébit (kg/h)/durée totale

50/365 h

25 50/180 h

122537-53/74 h

2-4-8-12 24-37-50/160 h

2-4-8-12-25/395 h

2-4-8-12-25/252 h

4/n3h

10/I4h

4.5,'3Sh

Zr22h

2«!0h

3/6 h

8/25 h

11/43 h

10/1.5 h

10/3h

Perméabilité(ml))

150 à 200

150 à 200

150 à 200

-

52-58

170-110

9.5 à 7.5

8.Sà8 0

10¿65

1

0.8

2

80

200

90

80

Températuremoyenne

CC)

15

30

30

30

30

30

26

32

28

25

25

23.5

24

24

26

25

Rltreamont

(il)

-

-

I

-

25

25

1

1

25

25

1

1

I

1

I

1

Rltreaval(M)

-

1,2

-

10

10

1,2

1.2

1,2

0.1

0,1

0,1

O.Iet 1,2

0,1et 1,2

0,1et 1,2

0,1et 1.2

(l)eaude ville(2) eau saturée en NaCI artificiellement(3) eau avec un oxydant (iN'aOCI)

Tableau 5 - Synthétique des expériences de percolation réalisées sur les sites de Melleray et dé Villefranche

60 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Site

MELLEKAY

VIl.l.KFKANCHE

Numéro del'eitpérience

1

2

3

4(1)

5

6

8

9

10

20

21

22(21

23

24(2)

25(3)

26(3)

Matériau

Grès des VosgesI)

Grès des VosgesI)

Grès des Vosges1)

Aerolilh20

Grès des Vosgesn

Grès des VosgesI)

Urès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grès à meules

Grèsi meules

Bereasandstones

Hercasandstones

Bereasandstones

Bereasandstones

Porosité

12

12

12

49

13

12

23

23

23

23

23

23

22

22

22

22

Longueurde la carotte

(mm)

90

90

15

90

90

15

90

90

30

40

30

30

30

90

90

90

PalierDébit (kg/h)/durée totale

50/365 h

25 50/180 h

122537-53/74 h

2-4-8-12 24-37-50/160 h

2-4-8-12-25/395 h

2-4-8-12-25/252 h

4/n3h

10/I4h

4.5,'3Sh

Zr22h

2«!0h

3/6 h

8/25 h

11/43 h

10/1.5 h

10/3h

Perméabilité(ml))

150 à 200

150 à 200

150 à 200

-

52-58

170-110

9.5 à 7.5

8.Sà8 0

10¿65

1

0.8

2

80

200

90

80

Températuremoyenne

CC)

15

30

30

30

30

30

26

32

28

25

25

23.5

24

24

26

25

Rltreamont

(il)

-

-

I

-

25

25

1

1

25

25

1

1

I

1

I

1

Rltreaval(M)

-

1,2

-

10

10

1,2

1.2

1,2

0.1

0,1

0,1

O.Iet 1,2

0,1et 1,2

0,1et 1,2

0,1et 1.2

(l)eaude ville(2) eau saturée en NaCI artificiellement(3) eau avec un oxydant (iN'aOCI)

Tableau 5 - Synthétique des expériences de percolation réalisées sur les sites de Melleray et dé Villefranche

60 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

cf) Traitement des données

On a tracé pour l'ensemble de l'expérience les courbes suivantes (figures 20 et 21)

Courbe 1 : débit massique en kg/h

Courbe 2 : Delta P sur la carotte en Bar (P amont - P aval)

Courbe 3 : Température en °C

Courbe 4 ; Perméabilité en milli Darcy

K = p X (Q X L)/(DELTA P x S)

e) Interprétation des résultats

Tableau des valeurs moyennes des différents paliers

N* du palier

1

2

3

4

5

Débit(kg/h)

2.0

3.9

7.9

12.4

24.9

Delta P(Bar)

0.50

1.04

1.86

2.80

5.92

Perméabilité(milliDARCY)

106

116

128

120

100

Débit : il est relativement stable excepté le premier palier où l'on observe des

amplitudes importantes autour de la valeur moyenne.

Delta P : son évolution est assez facile à suivre, il augmente linéairement avec le

débit, mais avec des amplitudes plus élevées pour les forts débits. Au cours

du palier n''2, le delta P sur la carotte diminue puis augmente lentement

alors que le débit reste constant sur cette même période. Ce résultat est

imputable à la variation de la viscosité du fiuide corrélativement à celle de

la température. Ce phénomène est analysé en détail au chapitre 4.3.3.

Température : amplitude importante, avec des cycles journaliers et une nette tendance à

augmenter avec le débit.

89SGN1413E/IRG 61

RAPPORT FINAL

cf) Traitement des données

On a tracé pour l'ensemble de l'expérience les courbes suivantes (figures 20 et 21)

Courbe 1 : débit massique en kg/h

Courbe 2 : Delta P sur la carotte en Bar (P amont - P aval)

Courbe 3 : Température en °C

Courbe 4 ; Perméabilité en milli Darcy

K = p X (Q X L)/(DELTA P x S)

e) Interprétation des résultats

Tableau des valeurs moyennes des différents paliers

N* du palier

1

2

3

4

5

Débit(kg/h)

2.0

3.9

7.9

12.4

24.9

Delta P(Bar)

0.50

1.04

1.86

2.80

5.92

Perméabilité(milliDARCY)

106

116

128

120

100

Débit : il est relativement stable excepté le premier palier où l'on observe des

amplitudes importantes autour de la valeur moyenne.

Delta P : son évolution est assez facile à suivre, il augmente linéairement avec le

débit, mais avec des amplitudes plus élevées pour les forts débits. Au cours

du palier n''2, le delta P sur la carotte diminue puis augmente lentement

alors que le débit reste constant sur cette même période. Ce résultat est

imputable à la variation de la viscosité du fiuide corrélativement à celle de

la température. Ce phénomène est analysé en détail au chapitre 4.3.3.

Température : amplitude importante, avec des cycles journaliers et une nette tendance à

augmenter avec le débit.

89SGN1413E/IRG 61

CONTRAT TRIAS

30

25

^20I\

^15

-Q 10

Û

(COURBE J) - VEBIT

""I T

0TS<J4'rAl^WiW

I r 1

0 2040 4080 6120 6160 10200 12240 14280

Temps en minutes

^ 5q:<m 4

ÍLo 3h

"55

û 2}-

(COURBE 2) - VELTA P

y:0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en minutes

Figure 20 - Courbes expérimentales : débit et delta P en fonction du temps

62 89SGN1413E/ÎRG

CONTRAT TRIAS

30

25

^20I\

^15

-Q 10

Û

(COURBE J) - VEBIT

""I T

0TS<J4'rAl^WiW

I r 1

0 2040 4080 6120 6160 10200 12240 14280

Temps en minutes

^ 5q:<m 4

ÍLo 3h

"55

û 2}-

(COURBE 2) - VELTA P

y:0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en minutes

Figure 20 - Courbes expérimentales : débit et delta P en fonction du temps

62 89SGN1413E/ÎRG

RAPPORT FINAL

40

35

20

(COURBE 3) - TEMPERATURE

0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en nninutes

0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en nninutes

Figure 21 - Courbes expérimentales - Température et perméabilité en fonction du temps

89SGN1413E/IRG 63

RAPPORT FINAL

40

35

20

(COURBE 3) - TEMPERATURE

0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en nninutes

0 2040 4080 6120 8160 10200 12240 14280

Temps en nninutes

Figure 21 - Courbes expérimentales - Température et perméabilité en fonction du temps

89SGN1413E/IRG 63

CONTRAT TRIAS

9.5..

7.5

7,0

6,5.»-

KXP8 -9cm-4kg/h-FILTREA.^tO.^Tl^

, I

' ' ' l/l,' V /

KXP9-9cm-10kg/h-FILTREAMO.NTlp

INJECTIO.N' D'AZOTE

\^ ^*

KXPIO - 3 cm - 4,5kg/li - FILTRE AMONT 25 \i

3000 Temps imn) 7000

Figure 22 - Evolution de la perméabilité intrinsèque (courbes lissées)

64 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

9.5..

7.5

7,0

6,5.»-

KXP8 -9cm-4kg/h-FILTREA.^tO.^Tl^

, I

' ' ' l/l,' V /

KXP9-9cm-10kg/h-FILTREAMO.NTlp

INJECTIO.N' D'AZOTE

\^ ^*

KXPIO - 3 cm - 4,5kg/li - FILTRE AMONT 25 \i

3000 Temps imn) 7000

Figure 22 - Evolution de la perméabilité intrinsèque (courbes lissées)

64 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Perméabilité : cette variable est plus difíicile à suivre. On constate une diminution

importante de celle-ci au cours des 600 premières heures de percolation

où l'on voit sa valeur passer de 170 à 100 mDarcy. Ensuite, elle évolue

entre 100 et 130 MilliDarcy avec le débit, le Delta P et la température.

La chute de la perméabilité au début de l'expérience peut s'expliquer par une

réorganisation de la matrice poreuse, sans l'efi^et de la circulation de l'eau, qui a pour conséquence

de diminuer la section de passage du fiuide. Par la suite, la perméabilité est stabilisée à une valeur

moyenne de 120 mDarcy. Cela montre qu'il n'y a pas ici de colmatage de la carotte par les

particules en suspension dans le fluide géothermal au delà de cette première phase de

"réorganisation".

B DESCRIPTION DES EXPÉRIENCES N'B, 9 ET 10

a) Caractéristiques des carottes

Grès à Meules

Longueur : 30 et 90 mm

Diamètre : 4 cm

b) Caractéristiques du fluide : eau géothermale de Melleray

c) Calendrier des opérations

Expérience

EXPO 8

EXPO 9

EXPO 10

Longueur de lacarotte

(cm)

9.0

9.0

3.0

Débit(kg/h)

4.0

10.0

4.5

Durée(mn)

6 800

840

2 300

Taille despores du filtre

amont

1.0

1.0

25.0

d) Traitement des données

On a représenté, sur un même graphique (fig. 22), l'évolution en fonction du temps de la

perméabilité intrinsèque K aux cours des trois expériences.

89SGN1413E/IRG 65

RAPPORT FINAL

Perméabilité : cette variable est plus difíicile à suivre. On constate une diminution

importante de celle-ci au cours des 600 premières heures de percolation

où l'on voit sa valeur passer de 170 à 100 mDarcy. Ensuite, elle évolue

entre 100 et 130 MilliDarcy avec le débit, le Delta P et la température.

La chute de la perméabilité au début de l'expérience peut s'expliquer par une

réorganisation de la matrice poreuse, sans l'efi^et de la circulation de l'eau, qui a pour conséquence

de diminuer la section de passage du fiuide. Par la suite, la perméabilité est stabilisée à une valeur

moyenne de 120 mDarcy. Cela montre qu'il n'y a pas ici de colmatage de la carotte par les

particules en suspension dans le fluide géothermal au delà de cette première phase de

"réorganisation".

B DESCRIPTION DES EXPÉRIENCES N'B, 9 ET 10

a) Caractéristiques des carottes

Grès à Meules

Longueur : 30 et 90 mm

Diamètre : 4 cm

b) Caractéristiques du fluide : eau géothermale de Melleray

c) Calendrier des opérations

Expérience

EXPO 8

EXPO 9

EXPO 10

Longueur de lacarotte

(cm)

9.0

9.0

3.0

Débit(kg/h)

4.0

10.0

4.5

Durée(mn)

6 800

840

2 300

Taille despores du filtre

amont

1.0

1.0

25.0

d) Traitement des données

On a représenté, sur un même graphique (fig. 22), l'évolution en fonction du temps de la

perméabilité intrinsèque K aux cours des trois expériences.

89SGN1413E/IRG 65

CONTRAT TRIAS

200(r.) IMM7G) REV.VOL

100-

0

2 3 3 4 5 J..r-°-!"1 T : ! I I-

-T

100,01 0,1 I

PORE RADIUS (piIOO

Figure 23 - Spectre de porosité mercure du grès à meules

66 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

200(r.) IMM7G) REV.VOL

100-

0

2 3 3 4 5 J..r-°-!"1 T : ! I I-

-T

100,01 0,1 I

PORE RADIUS (piIOO

Figure 23 - Spectre de porosité mercure du grès à meules

66 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FI.VAL

Les différentes courbes ont été lissées afin de s'affranchir des pics de débit qui correspondent

à des parasites dûs aux vibrations existantes sur le percolateur.

E - INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS

On mesure pour chaque carotte une perméabilité initiale Kq exprimée en milHDarcy :

Expérience

EXPOS

EXPO 9

EXPO 10

Ko

9.57

8.41

9.81

Celle-ci diminue progressivement au cours du temps, et de façon nuancée en fonction des

conditions de l'expérience

- débit de percolation

- taille des pores du filtre amont.

EXPO 8 : on observe une diminution de 20% de la perméabilité K en 3.5 jours (de 9.6 à

7.7 milHDarcy). A la fin de l'expérience, on a réalisé une injection d'azote dont les bulles ont

tapissé la surface de la carotte, ce qui a entraîné une baisse brutale de la perméabilité de 7.7 à

7.0 milliDarcy.

EXPO 9 : on a gardé la même taille des pores du filtre amont, mais le débit a été multiplié par 2.5.

On constate tout d'abord une diminution importante de la perméabilité initiale Kq par rapport à

l'expérience précédente. Ensuite la diminution de K est plus rapide, mais l'expérience a été arrêtée

après 14 heures de percolation à cause de la montée de la pression amont à 215 bars.

EXPO 10 : on a ramené le débit à 4.5 kg/h, mais avec un filtre à 25 p. On observe une chute

brutale de la perméabilité de 36 % en 24 heures (de 9.8 à 6.3 milliDarcy).

On doit rapprocher ces résultats du spectre de porosité du grès étudié et du spectre des

particules du fluide (figures 23 et 31 du § 5.2.5).

89SGN1413E/IRG 67

RAPPORT FI.VAL

Les différentes courbes ont été lissées afin de s'affranchir des pics de débit qui correspondent

à des parasites dûs aux vibrations existantes sur le percolateur.

E - INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS

On mesure pour chaque carotte une perméabilité initiale Kq exprimée en milHDarcy :

Expérience

EXPOS

EXPO 9

EXPO 10

Ko

9.57

8.41

9.81

Celle-ci diminue progressivement au cours du temps, et de façon nuancée en fonction des

conditions de l'expérience

- débit de percolation

- taille des pores du filtre amont.

EXPO 8 : on observe une diminution de 20% de la perméabilité K en 3.5 jours (de 9.6 à

7.7 milHDarcy). A la fin de l'expérience, on a réalisé une injection d'azote dont les bulles ont

tapissé la surface de la carotte, ce qui a entraîné une baisse brutale de la perméabilité de 7.7 à

7.0 milliDarcy.

EXPO 9 : on a gardé la même taille des pores du filtre amont, mais le débit a été multiplié par 2.5.

On constate tout d'abord une diminution importante de la perméabilité initiale Kq par rapport à

l'expérience précédente. Ensuite la diminution de K est plus rapide, mais l'expérience a été arrêtée

après 14 heures de percolation à cause de la montée de la pression amont à 215 bars.

EXPO 10 : on a ramené le débit à 4.5 kg/h, mais avec un filtre à 25 p. On observe une chute

brutale de la perméabilité de 36 % en 24 heures (de 9.8 à 6.3 milliDarcy).

On doit rapprocher ces résultats du spectre de porosité du grès étudié et du spectre des

particules du fluide (figures 23 et 31 du § 5.2.5).

89SGN1413E/IRG 67

CONTRAT TRIAS

.2-

DELTA P/L (Bar /mm)

DEBIT (kg/h)

Courbe©: EXP<i>5-Grès des Vosges VOBLongueur: 90mmPerméabilité :40-50mD

Courbe (2): EXP06-Grès des Vosges DLongueur : 15mmPerméabilité :IOO-l20mD

Figure 24 - Variation de DELTA P/L en fonction du débit

68 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

.2-

DELTA P/L (Bar /mm)

DEBIT (kg/h)

Courbe©: EXP<i>5-Grès des Vosges VOBLongueur: 90mmPerméabilité :40-50mD

Courbe (2): EXP06-Grès des Vosges DLongueur : 15mmPerméabilité :IOO-l20mD

Figure 24 - Variation de DELTA P/L en fonction du débit

68 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

En efi"et, 70 % des pores ont un diamètre supérieur à 1 p et 97 % des particules ont un

diamètre inférieur à 1 p. En conséquence, un filtre amont de 1 p ne laissera passer que les

particules de diamètre inférieur qui, elles, pourront passer dans les pores de diamètre supérieur

(soit 70 % d'entre eux), et colmateront les pores plus petits, c'est-à-dire 30 %. Par contre, un filtre

de 25 p laissera passer la totalité des particules (jusqu'à 8 p) qui iront boucher tous les pores de

diamètre inférieur, c'est-à-dire 80 % d'entre eux.

Ce raisonnement ne peut expliquer qu'une partie des causes des variations de la

perméabilité, car on ne prend pas en compte ici les phénomènes électriques (potentiel zêta) et

chimiques (agglomération de particules) qui interviennent lors de la filtration du fluide par le

filtre et la carotte.

4.3.3 - Relation entre le débit et la chute de pressiondans la carotte

La figure 24 montre la relation linéaire qui lie le débit et la chute de pression dans la

carotte. Après une variation de perméabilité au début des percolations, on a observé une

stabilisation de la valeur de K qui vérifie la loi de Darcy.

4.3.4 - Incidence de la température

Comme on l'a vu dans le § 4.2.2, la viscosité de l'eau varie d'un facteur deux entre 80 et

40*0. Les courbes de la figure 25 montrent très nettement l'effet de la variation de température

sur le delta P de la carotte.

Si la perméabilité intrinsèque (celle de la carotte seule) reste constante, le coefiicient de

Darcy qui intègre à la fois la valeur de cette perméabilité et de la viscosité du fluide peut donc

varier de façon importante.

Sur notre exemple, on obtient les résultats suivants :

Temps(mn)

5450

5900

Températurerc)

22

27

Viscosité(cP)

1.005

0.893

AP observé(Bar)

1.02

0.9

89SGN1413E/1RG 69

RAPPORT FINAL

En efi"et, 70 % des pores ont un diamètre supérieur à 1 p et 97 % des particules ont un

diamètre inférieur à 1 p. En conséquence, un filtre amont de 1 p ne laissera passer que les

particules de diamètre inférieur qui, elles, pourront passer dans les pores de diamètre supérieur

(soit 70 % d'entre eux), et colmateront les pores plus petits, c'est-à-dire 30 %. Par contre, un filtre

de 25 p laissera passer la totalité des particules (jusqu'à 8 p) qui iront boucher tous les pores de

diamètre inférieur, c'est-à-dire 80 % d'entre eux.

Ce raisonnement ne peut expliquer qu'une partie des causes des variations de la

perméabilité, car on ne prend pas en compte ici les phénomènes électriques (potentiel zêta) et

chimiques (agglomération de particules) qui interviennent lors de la filtration du fluide par le

filtre et la carotte.

4.3.3 - Relation entre le débit et la chute de pressiondans la carotte

La figure 24 montre la relation linéaire qui lie le débit et la chute de pression dans la

carotte. Après une variation de perméabilité au début des percolations, on a observé une

stabilisation de la valeur de K qui vérifie la loi de Darcy.

4.3.4 - Incidence de la température

Comme on l'a vu dans le § 4.2.2, la viscosité de l'eau varie d'un facteur deux entre 80 et

40*0. Les courbes de la figure 25 montrent très nettement l'effet de la variation de température

sur le delta P de la carotte.

Si la perméabilité intrinsèque (celle de la carotte seule) reste constante, le coefiicient de

Darcy qui intègre à la fois la valeur de cette perméabilité et de la viscosité du fluide peut donc

varier de façon importante.

Sur notre exemple, on obtient les résultats suivants :

Temps(mn)

5450

5900

Températurerc)

22

27

Viscosité(cP)

1.005

0.893

AP observé(Bar)

1.02

0.9

89SGN1413E/1RG 69

CONTRAT TRIAS

Expérience n* 6 (Melleray)

Grès des Vosges D

Epaisseur de la carotte : 15 mm

Perméabilité : 120 mD

Salinité de l'eau : 38 g/1

4.5-

en

ÛÛ

U

4.0 -.fflm

%i^w3.5-

0.8'

HfW\^W

5500 6000 6500

Température -

Delta P

+

"28 u

5000 5500 6000 650020

7000Temps (mn)

Figure 25 - Incidence de la température sur le DELTA P carotte

70 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Expérience n* 6 (Melleray)

Grès des Vosges D

Epaisseur de la carotte : 15 mm

Perméabilité : 120 mD

Salinité de l'eau : 38 g/1

4.5-

en

ÛÛ

U

4.0 -.fflm

%i^w3.5-

0.8'

HfW\^W

5500 6000 6500

Température -

Delta P

+

"28 u

5000 5500 6000 650020

7000Temps (mn)

Figure 25 - Incidence de la température sur le DELTA P carotte

70 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Une variation de 5°C du fluide de percolation a entraîné une diminution de 11<^ de la

viscosité qui est directement responsable d'une augmentation de 1 1 % du delta P dans la carotte.

4.3.5 - Incidence du gaz

Lors de l'expérience n°8 sur des grès à Meules, on a procédé à l'injection de bulles d'azote

dans le circuit hydraulique du percolateur.

Le résultat de cette injection est visible sur le graphique (fig. 22) où la perméabilité chute

brutalement de 7,9 mD à 6,5 mD'^alors que celle-ci était bien stabilisée. Ce phénomène est dû au

colmatage des pores de l'échantillon par les bulles de gaz.

4.3.6 - Incidence de la salinité du fluide

Les essais de percolation sur le site de Villefranche ont comporté un test de l'effet de la

salinité sur la perméabilité de la carotte. Les résultats obtenus figurent sur le tableau ci-après.

Perméabilité (en milliDarcy) selon la salinité du fluide

Type de grès

Eau douce(2 g/1)

Eau salée(38 g/1)

Grès à Meules

0,8

2,0

BereaSandstones

90

200

Ces expériences mettent en évidence le comportement des carottes argilo-gréseuses vis-à-

vis des fiuides saturés en sel. En effet, on obtient des résultats analogues avec les grès à Meules, où

la perméabilité passe de 0,8 mD à 2 mD, et les Béréa Sandstones où la perméabilité intrinsèque est

multipliée par un facteur 2,2.

La mobilisation des argiles et la salinité du fluide

Ces phénomènes de mobilisation des particules fines par les fluides ont largement été

étudiés par les pétroliers au cours des années soixante. Ce phénomène est reconnu comme l'une

des causes principales des problèmes de résistance à l'injectivité des réservoirs gréseux.

89SGN1413E/IRG 71

RAPPORT FINAL

Une variation de 5°C du fluide de percolation a entraîné une diminution de 11<^ de la

viscosité qui est directement responsable d'une augmentation de 1 1 % du delta P dans la carotte.

4.3.5 - Incidence du gaz

Lors de l'expérience n°8 sur des grès à Meules, on a procédé à l'injection de bulles d'azote

dans le circuit hydraulique du percolateur.

Le résultat de cette injection est visible sur le graphique (fig. 22) où la perméabilité chute

brutalement de 7,9 mD à 6,5 mD'^alors que celle-ci était bien stabilisée. Ce phénomène est dû au

colmatage des pores de l'échantillon par les bulles de gaz.

4.3.6 - Incidence de la salinité du fluide

Les essais de percolation sur le site de Villefranche ont comporté un test de l'effet de la

salinité sur la perméabilité de la carotte. Les résultats obtenus figurent sur le tableau ci-après.

Perméabilité (en milliDarcy) selon la salinité du fluide

Type de grès

Eau douce(2 g/1)

Eau salée(38 g/1)

Grès à Meules

0,8

2,0

BereaSandstones

90

200

Ces expériences mettent en évidence le comportement des carottes argilo-gréseuses vis-à-

vis des fiuides saturés en sel. En effet, on obtient des résultats analogues avec les grès à Meules, où

la perméabilité passe de 0,8 mD à 2 mD, et les Béréa Sandstones où la perméabilité intrinsèque est

multipliée par un facteur 2,2.

La mobilisation des argiles et la salinité du fluide

Ces phénomènes de mobilisation des particules fines par les fluides ont largement été

étudiés par les pétroliers au cours des années soixante. Ce phénomène est reconnu comme l'une

des causes principales des problèmes de résistance à l'injectivité des réservoirs gréseux.

89SGN1413E/IRG 71

CONTRAT TRIAS

Les pétroliers se sont préoccupés de reconnaître ce qui pouvaient favoriser la mobilisation

des argiles dans les espaces poreux. Ils ont, en particulier, mis en évidence le rôle déterminant de

la salinité du fluide. Bien que ce phénomène ait été bien étudié depuis, les modalités n'en sont pas

totalement élucidées.

Les travaux de Mungan (1968 a et b) sur le grès de Berea ont, en particulier, contribué à

mettre en évidence les faits suivants :

- Une injection d'eau douce ou d'eau de salinité inférieure ou égale à 30 000 ppm ne

provoque aucune réduction de perméabilité dans ce grès.

- Une injection d'eau douce après une injection d'eau salée provoque, par contre, une très

forte réduction de perméabilité. D'une valeur initiale de 190 md, cette dernière chute à

0,9 md.

- Plus le passage de l'eau salée à l'eau douce est progressif, moins cette réduction de

perméabilité est importante.

Mungan avance l'explication suivante :

Le grès de Berea n'est pas sensible à l'eau douce car les argiles qu'il contient ont leurs sites

d'échanges d'ions saturés en Ca+ et Mg+ +. Ainsi, l'eau douce ne modifie pas significativement

l'état géochimique des édifices argileux.

Lorsque l'on injecte de l'eau salée dans ce grès, on échange les ions divalents de ces sites

contre des Na+ de la solution.

Les argiles ainsi modifiées vont alors réagir si l'on passe brutalement de l'eau salée à l'eau

douce. Les ions Na+ subiront une hydratation, ce qui provoquera l'insertion de nombreuses

couches hydratées entre les feuilles d'argiles.

Le résultat de cette hydratation sera une expansion des minéraux et une réduction des

forces de cohésion coulombiennes entre les feuillets. Cette expansion aura un double effet :

- réduction de la porosité, accroissement de la rugosité des pores,

- moindre résistance aux forces de cisaillement exercées par le fluide en circulation forcée

dans les espaces poreux. Cela conduira à l'arrachement de minéraux et à leur

entraînement vers les sorties des pores. Ils y forment un bouchon s'opposant à la

circulation du fluide.

L'accroissement de la rugosité et le bloquage des communications entre les pores peuvent

expliquer en partie la brutale et importante réduction de la perméabilité.

72 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Les pétroliers se sont préoccupés de reconnaître ce qui pouvaient favoriser la mobilisation

des argiles dans les espaces poreux. Ils ont, en particulier, mis en évidence le rôle déterminant de

la salinité du fluide. Bien que ce phénomène ait été bien étudié depuis, les modalités n'en sont pas

totalement élucidées.

Les travaux de Mungan (1968 a et b) sur le grès de Berea ont, en particulier, contribué à

mettre en évidence les faits suivants :

- Une injection d'eau douce ou d'eau de salinité inférieure ou égale à 30 000 ppm ne

provoque aucune réduction de perméabilité dans ce grès.

- Une injection d'eau douce après une injection d'eau salée provoque, par contre, une très

forte réduction de perméabilité. D'une valeur initiale de 190 md, cette dernière chute à

0,9 md.

- Plus le passage de l'eau salée à l'eau douce est progressif, moins cette réduction de

perméabilité est importante.

Mungan avance l'explication suivante :

Le grès de Berea n'est pas sensible à l'eau douce car les argiles qu'il contient ont leurs sites

d'échanges d'ions saturés en Ca+ et Mg+ +. Ainsi, l'eau douce ne modifie pas significativement

l'état géochimique des édifices argileux.

Lorsque l'on injecte de l'eau salée dans ce grès, on échange les ions divalents de ces sites

contre des Na+ de la solution.

Les argiles ainsi modifiées vont alors réagir si l'on passe brutalement de l'eau salée à l'eau

douce. Les ions Na+ subiront une hydratation, ce qui provoquera l'insertion de nombreuses

couches hydratées entre les feuilles d'argiles.

Le résultat de cette hydratation sera une expansion des minéraux et une réduction des

forces de cohésion coulombiennes entre les feuillets. Cette expansion aura un double effet :

- réduction de la porosité, accroissement de la rugosité des pores,

- moindre résistance aux forces de cisaillement exercées par le fluide en circulation forcée

dans les espaces poreux. Cela conduira à l'arrachement de minéraux et à leur

entraînement vers les sorties des pores. Ils y forment un bouchon s'opposant à la

circulation du fluide.

L'accroissement de la rugosité et le bloquage des communications entre les pores peuvent

expliquer en partie la brutale et importante réduction de la perméabilité.

72 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Hypothèse sur la réduction de perméabilité des grès à Meules

Si l'on admet que, comme c'est le cas à Melleray, les eaux qui baignent naturellement les

grès étudiés ici sont salées (à l'exception du grès de Berea), on peut alors formuler l'hj-pothèse

suivante : les sites d'ions échangeables des argiles de ces grès pourraient être occupés par des ions

Na+ provenant du fluide intersticiel salé. Il s'agirait là de l'état initial de la roche avant essai.

La percolation d'eau douce provoquerait alors un phénomène semblable à celui décrit par

Mungan, c'est-à-dire une expansion par hydratation et une fragilisation des édifices argileux.

Ainsi le fait que dans les expériences 20 et 21 la perméabilité à un fluide non salé

(expérience 22) soit de Imd alors qu'elle est de 2md lorsque le fluide est salé indiquerait non pas

une amélioration de la perméabilité par l'injection d'eau salée, mais une réduction de perméabilité

sous l'efiet de l'eau douce.

Hypothèses sur la variation de perméabilité du grès de Berea

Les essais réalisés sur les grès de Berea (Detoc et al., 1988) ont mis en évidence une

perméabilité nettement plus importante à un fluide salé qu'à de l'eau douce. De plus, dans les

premiers stades de l'expérience 24, l'injection d'eau salée provoque une baisse de la perméabilité.

Lorsque l'on passe ensuite à de l'eau douce, la perméabilité ne diminue pas mais se stabilise.

Ces résultats sont en contradiction avec ceux obtenus par Mungan sur ce même grès. En

effet, cet auteur a montré que la perméabilité de ce grès n'est pas affectée par l'injection d'eau

douce seule, mais que l'injection d'eau douce après une injection d'eau salée fait fortement chuter

la perméabilité.

Les variations de perméabilité observées dans ce grès apparaissent donc délicates à

interpréter.

- En premier lieu, il conviendrait de s'interroger sur l'histoire des échantillons depuis leur

prélèvement jusqu'à l'arrivée dans le laboratoire. Il est fort possible que les propriétés

d'échanges d'ions des argiles aient été modifiées.

- Bien que ce grès de Berea soit un standard et donc que ses qualités et propriétés soient en

principe non variables, il ne saurait être exclu que les échantillons utilisés pour les essais

puissent différer légèrement par leur contenu argileux ou par les propriétés de leurs

argiles.

89SGN1413E/IRG 73

RAPPORT FINAL

Hypothèse sur la réduction de perméabilité des grès à Meules

Si l'on admet que, comme c'est le cas à Melleray, les eaux qui baignent naturellement les

grès étudiés ici sont salées (à l'exception du grès de Berea), on peut alors formuler l'hj-pothèse

suivante : les sites d'ions échangeables des argiles de ces grès pourraient être occupés par des ions

Na+ provenant du fluide intersticiel salé. Il s'agirait là de l'état initial de la roche avant essai.

La percolation d'eau douce provoquerait alors un phénomène semblable à celui décrit par

Mungan, c'est-à-dire une expansion par hydratation et une fragilisation des édifices argileux.

Ainsi le fait que dans les expériences 20 et 21 la perméabilité à un fluide non salé

(expérience 22) soit de Imd alors qu'elle est de 2md lorsque le fluide est salé indiquerait non pas

une amélioration de la perméabilité par l'injection d'eau salée, mais une réduction de perméabilité

sous l'efiet de l'eau douce.

Hypothèses sur la variation de perméabilité du grès de Berea

Les essais réalisés sur les grès de Berea (Detoc et al., 1988) ont mis en évidence une

perméabilité nettement plus importante à un fluide salé qu'à de l'eau douce. De plus, dans les

premiers stades de l'expérience 24, l'injection d'eau salée provoque une baisse de la perméabilité.

Lorsque l'on passe ensuite à de l'eau douce, la perméabilité ne diminue pas mais se stabilise.

Ces résultats sont en contradiction avec ceux obtenus par Mungan sur ce même grès. En

effet, cet auteur a montré que la perméabilité de ce grès n'est pas affectée par l'injection d'eau

douce seule, mais que l'injection d'eau douce après une injection d'eau salée fait fortement chuter

la perméabilité.

Les variations de perméabilité observées dans ce grès apparaissent donc délicates à

interpréter.

- En premier lieu, il conviendrait de s'interroger sur l'histoire des échantillons depuis leur

prélèvement jusqu'à l'arrivée dans le laboratoire. Il est fort possible que les propriétés

d'échanges d'ions des argiles aient été modifiées.

- Bien que ce grès de Berea soit un standard et donc que ses qualités et propriétés soient en

principe non variables, il ne saurait être exclu que les échantillons utilisés pour les essais

puissent différer légèrement par leur contenu argileux ou par les propriétés de leurs

argiles.

89SGN1413E/IRG 73

CONTRAT TRIAS

Il convient donc de se montrer très prudents dans l'interprétation des causes de variation de

perméabilité. Il apparaît néanmoins que le chimisme des fluides de percolation peut jouer un

grand rôle dans la mobilisation des particules fines des espaces poreux.

La connaissance de la capacité d'échange d'ions des argiles avant et après essai permettrait

certainement une meilleure appréciation de l'influence de la salinité du fluide injecté sur la

mobilisation des particules argileuses.

De même, un protocole d'essai incluant différentes modalités de passage d'un fluide salé à

un fluide non salé, avec différentes salinités serait très utile dans cette même optique.

4.4 . TRANSPOSITION SUR UNE RÉINJECTIONA ÉCHELLE 1

a) Représentativité des essais sur carotte pour une interprétation des résultats in

situ

Au niveau du réservoir (cas de Melleray) nous avons les valeurs suivantes :

- diamètre du forage (6") = 15,36 cm

- hauteur productive = 11,5 m

- surface d'échange = 55 465 cm2,

-débit d'injection = 150m3/h

cela représente un débit de 2,7 l/h/cm2 au niveau de la paroi du forage.

Dans la carotte d'essai, nous avons :

- diamètre = 4 cm,

- section = 12,56 m2

en tenant compte d'un débit de 2,7 l/h/cm2 calculé précédemment, on a alors au niveau de la

carotte :

2,7 X 12,56 = 40 1/h

Dans le réservoir, à 9 cm du bord, le diamètre est de 33,36 cm, la surface d'échange est de

120 463 cm3, soit 1,2 l/h/cm2, qui correspond à un débit dans la carotte de 1,2 x 12,56 = 15 1/h. Ces

valeurs sont du même ordre de grandeur que celles appliquées lors des essais sur la boucle de

percolation.

74 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Il convient donc de se montrer très prudents dans l'interprétation des causes de variation de

perméabilité. Il apparaît néanmoins que le chimisme des fluides de percolation peut jouer un

grand rôle dans la mobilisation des particules fines des espaces poreux.

La connaissance de la capacité d'échange d'ions des argiles avant et après essai permettrait

certainement une meilleure appréciation de l'influence de la salinité du fluide injecté sur la

mobilisation des particules argileuses.

De même, un protocole d'essai incluant différentes modalités de passage d'un fluide salé à

un fluide non salé, avec différentes salinités serait très utile dans cette même optique.

4.4 . TRANSPOSITION SUR UNE RÉINJECTIONA ÉCHELLE 1

a) Représentativité des essais sur carotte pour une interprétation des résultats in

situ

Au niveau du réservoir (cas de Melleray) nous avons les valeurs suivantes :

- diamètre du forage (6") = 15,36 cm

- hauteur productive = 11,5 m

- surface d'échange = 55 465 cm2,

-débit d'injection = 150m3/h

cela représente un débit de 2,7 l/h/cm2 au niveau de la paroi du forage.

Dans la carotte d'essai, nous avons :

- diamètre = 4 cm,

- section = 12,56 m2

en tenant compte d'un débit de 2,7 l/h/cm2 calculé précédemment, on a alors au niveau de la

carotte :

2,7 X 12,56 = 40 1/h

Dans le réservoir, à 9 cm du bord, le diamètre est de 33,36 cm, la surface d'échange est de

120 463 cm3, soit 1,2 l/h/cm2, qui correspond à un débit dans la carotte de 1,2 x 12,56 = 15 1/h. Ces

valeurs sont du même ordre de grandeur que celles appliquées lors des essais sur la boucle de

percolation.

74 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

b) Les phénomènes hydrauliques rencontrés lors d'une réinjection

Les résultats obtenus lors des expériences de percolation montrent :

- l'importance de la filtration des fines particules sur l'évolution de la perméabilité de la

carotte au cours des essais,

- la sensibilité du Delta P aux variations de la température du fluide,

l'importance de la présence de gaz dans le fluide.

A ces phénomènes qui apparaissent au niveau de la paroi du réservoir s'ajoute ceux liés aux

variations de densité du fluide dans le forage et qui sont décrits ci-dessous.

1) Métrologie

Les mesures du taux de gaz présent dans un fluide sous pression, ainsi que de sa pression de

point de bulle sont des opérations très délicates. En effet, la représentativité d'un échantillon

diphasique, ainsi que la maîtrise des conditions thermodynamiques de prélèvement peuvent

induire des variations très importantes sur le résultat de la mesure.

La mesure du rapport gaz/liquide (GLR) est effectuée en tête de puits, à partir d'un piquage

latéral, et dans des phases d'écoulement stabilisé de la production. Un échantillon dynamique

passe au travers d'un séparateur de volume en gaz fixé. La durée de remplissage permet, au regard

du volume de liquide passé, de calculer le GLR, à la température approximative du fluide total, et

à pression atmosphérique. Cette mesure a été aussi effectuée sur des échantillons statiques,

prélevés en fond de puits, et détendus dans un banc de mesure.

En ce qui concerne la pression de point de bulle, il est encore possible de l'évaluer sur des

échantillons dynamiques ou statiques :

- En tête de puits, si la pression en exploitation est supérieure au point de bulle, il sufiit de

décomprimer le fluide (pris sur un piquage latéral) et d'observer (à l'aide d'un

turbidimètre par exemple) le début de l'expression des gaz pour en déduire le point de

bulle dynamique.

- Sur des échantillons prélevés en fond de puits, le début de l'augmentation significative

(non liée à la compressibilité de l'eau) du volume de fluide total, corrélé à la

décompression, permet aussi d'obtenir ce résultat.

Cependant la turbulence du fluide pendant l'exploitation ainsi que la présence de pompes

centrifuges sont des paramètres difficilement quantifiables quant à leur influence sur les points de

bulle et GLR.

89SGN1413E/IRG 75

RAPPORT FINAL

b) Les phénomènes hydrauliques rencontrés lors d'une réinjection

Les résultats obtenus lors des expériences de percolation montrent :

- l'importance de la filtration des fines particules sur l'évolution de la perméabilité de la

carotte au cours des essais,

- la sensibilité du Delta P aux variations de la température du fluide,

l'importance de la présence de gaz dans le fluide.

A ces phénomènes qui apparaissent au niveau de la paroi du réservoir s'ajoute ceux liés aux

variations de densité du fluide dans le forage et qui sont décrits ci-dessous.

1) Métrologie

Les mesures du taux de gaz présent dans un fluide sous pression, ainsi que de sa pression de

point de bulle sont des opérations très délicates. En effet, la représentativité d'un échantillon

diphasique, ainsi que la maîtrise des conditions thermodynamiques de prélèvement peuvent

induire des variations très importantes sur le résultat de la mesure.

La mesure du rapport gaz/liquide (GLR) est effectuée en tête de puits, à partir d'un piquage

latéral, et dans des phases d'écoulement stabilisé de la production. Un échantillon dynamique

passe au travers d'un séparateur de volume en gaz fixé. La durée de remplissage permet, au regard

du volume de liquide passé, de calculer le GLR, à la température approximative du fluide total, et

à pression atmosphérique. Cette mesure a été aussi effectuée sur des échantillons statiques,

prélevés en fond de puits, et détendus dans un banc de mesure.

En ce qui concerne la pression de point de bulle, il est encore possible de l'évaluer sur des

échantillons dynamiques ou statiques :

- En tête de puits, si la pression en exploitation est supérieure au point de bulle, il sufiit de

décomprimer le fluide (pris sur un piquage latéral) et d'observer (à l'aide d'un

turbidimètre par exemple) le début de l'expression des gaz pour en déduire le point de

bulle dynamique.

- Sur des échantillons prélevés en fond de puits, le début de l'augmentation significative

(non liée à la compressibilité de l'eau) du volume de fluide total, corrélé à la

décompression, permet aussi d'obtenir ce résultat.

Cependant la turbulence du fluide pendant l'exploitation ainsi que la présence de pompes

centrifuges sont des paramètres difficilement quantifiables quant à leur influence sur les points de

bulle et GLR.

89SGN1413E/IRG 75

CONTRAT TRIAS

V/VPb

1.06-

1.05

1.04-

1.03-

1.02

1.01

I.OO.

¿

Pression (bars rel.)

50 IOO 150

Figure 26 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à SO'C (Melleray)

76 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

V/VPb

1.06-

1.05

1.04-

1.03-

1.02

1.01

I.OO.

¿

Pression (bars rel.)

50 IOO 150

Figure 26 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à SO'C (Melleray)

76 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Il faut ainsi noter qu'il n'est pas possible de remonter au point de bulle en recomprimant un

échantillon (gaz -f eau), le point de rosée étant différent du point de bulle et les calculs n'étant pas

réalisables pour de tels mélanges.

2) Résultats

Des prélèvements de fond de puits ont été réalisés sur GMY2 au cours des tests

hydrauliques en fin de forage. Les figures suivantes précisent les relations pression/volume du

fluide de gisements à deux températures. A la pression atmosphérique, les GLR obtenus sont les

suivants :

à 60'C : 0,21 m3 gaz/m3 (figure 26)

à 30°C : 0,15 m3 gaz/m3 (figure 27)

Les pressions de point de bulle sont respectivement de 12,4 et 9,3 bars relatifs.

Sur le puits de production, ces pressions étant plus importantes que la pression

d'exploitation en tête de puits, il n'est pas possible de réaliser simplement en surface une mesure

dynamique de point de bulle.

Pour vérifier les mesures efí'ectuées sur les prélèvements de fond de puits, nous avons

volontairement augmenté la pression de tête de puits à l'aide d'un diaphragme ainsi que la HMT

de la pompe immergée (présence d'un variateur de fréquence). Ce montage a permis d'obtenir

temporairement une pression de surface de 17 bars pour un débit de l'ordre de 70 m3/h.

Le fluide est resté cependant très légèrement diphasique. Il est difficile d'en déduire la

conclusion d'un point de bulle plus élevé car il est à craindre un efí'et de cisaillement du fluide créé

par la pompe, pour un débit relativement faible et une vitesse de rotation importante.

Les résultats de mesures de GLR sont précisés au § 5.2.4.

89SGN1413E/IRG 77

RAPPORT FINAL

Il faut ainsi noter qu'il n'est pas possible de remonter au point de bulle en recomprimant un

échantillon (gaz -f eau), le point de rosée étant différent du point de bulle et les calculs n'étant pas

réalisables pour de tels mélanges.

2) Résultats

Des prélèvements de fond de puits ont été réalisés sur GMY2 au cours des tests

hydrauliques en fin de forage. Les figures suivantes précisent les relations pression/volume du

fluide de gisements à deux températures. A la pression atmosphérique, les GLR obtenus sont les

suivants :

à 60'C : 0,21 m3 gaz/m3 (figure 26)

à 30°C : 0,15 m3 gaz/m3 (figure 27)

Les pressions de point de bulle sont respectivement de 12,4 et 9,3 bars relatifs.

Sur le puits de production, ces pressions étant plus importantes que la pression

d'exploitation en tête de puits, il n'est pas possible de réaliser simplement en surface une mesure

dynamique de point de bulle.

Pour vérifier les mesures efí'ectuées sur les prélèvements de fond de puits, nous avons

volontairement augmenté la pression de tête de puits à l'aide d'un diaphragme ainsi que la HMT

de la pompe immergée (présence d'un variateur de fréquence). Ce montage a permis d'obtenir

temporairement une pression de surface de 17 bars pour un débit de l'ordre de 70 m3/h.

Le fluide est resté cependant très légèrement diphasique. Il est difficile d'en déduire la

conclusion d'un point de bulle plus élevé car il est à craindre un efí'et de cisaillement du fluide créé

par la pompe, pour un débit relativement faible et une vitesse de rotation importante.

Les résultats de mesures de GLR sont précisés au § 5.2.4.

89SGN1413E/IRG 77

CONTRAT TRIAS

I.OG-

1.05-

1.04-

1.03

V/VPb

1.00

IOO 150

Figure 27 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à 69^ (Melleray)

78

CONTRAT TRIAS

I.OG-

1.05-

1.04-

1.03

V/VPb

1.00

IOO 150

Figure 27 - Détente d'un prélèvement de fond de puits à 69^ (Melleray)

78

RAPPORT FINAL

3) Modélisation

La présence d'un milieu diphasique en tête de puits de réinjection peut se révéler être un

agent colmatant si l'on suppose que la redissolution n'est pas efí^ective (cinétique du phénomène).

Son efí'et peut être ressenti sur la colonne hydraulique du puits par un efíet de gas-lift néfaste à la

réinjection ou encore sur la matrice du réservoir par un effet de bloquage de pore.

Pour évaluer le premier effet, nous avons utilisé un logiciel d'écoulement diphasique

développé à l'IMRG. La figure 28 montre une évaluation des pertes de charge, pour un débit de 100

m3/h, une pression de 1 bar en tête de puits, et les caractéristiques physicochimiques du fluide de

Melleray (eau + gaz).

Cette modélisation suppose qu'aucune redissolution de gaz n'a lieu sur 900 m, et que

l'écoulement diphasique est homogène. Cette dernière condition est tout à fait plausible au vu du

nombre de Reynolds élevé (régime turbulent : 100 m3/h d'eau dans un casing 7") et de la faible

quantité de gaz (GLR 20%). La comparaison entre les courbes d'écoulement monophasique et

diphasique conduit à une différence sur la pression d'injection de l'ordre de 1 bar, ce qui ne permet

pas d'expliquer les fortes pressions d'injections nécessaires pendant les essais (débit de fluide

inférieur et pression en tête de puits très supérieure).

Cependant, il est aussi envisageable qu'une certaine accumulation de gaz se piège dans la

partie supérieure du casing. Ce phénomène transitoire est difllcilement modélisable.

En ce qui concerne le colmatage du réservoir par des bulles de gaz il faut noter que le GLR

en condition de fond (pression, température), si aucune redissolution n'a lieu pendant le transport,

est de l'ordre de 10-3. Malgré cela certaines expérimentations de percolation montrent la grande

sensibilité de la perméabilité des grès au passage d'un bouchon d'azote injecté sous haute pression

(cf. § 4.3.5).

Cependant les tests de réinjection effectués sur le site d'Achères ont été réalisés après

dégazage du fluide (stockage intermédiaire dans un bassin, sous bâche) à pression

atmosphérique). Aussi les problèmes similaires rencontrés sur ce site minimisent l'influence du

gaz dans le phénomène de colmatage, et on doit admettre soit un rôle négligeable des bulles, soit

une redissolution rapide imposée par la pression de réinjection.

89SGN1413E/IRG 79

RAPPORT FINAL

3) Modélisation

La présence d'un milieu diphasique en tête de puits de réinjection peut se révéler être un

agent colmatant si l'on suppose que la redissolution n'est pas efí^ective (cinétique du phénomène).

Son efí'et peut être ressenti sur la colonne hydraulique du puits par un efíet de gas-lift néfaste à la

réinjection ou encore sur la matrice du réservoir par un effet de bloquage de pore.

Pour évaluer le premier effet, nous avons utilisé un logiciel d'écoulement diphasique

développé à l'IMRG. La figure 28 montre une évaluation des pertes de charge, pour un débit de 100

m3/h, une pression de 1 bar en tête de puits, et les caractéristiques physicochimiques du fluide de

Melleray (eau + gaz).

Cette modélisation suppose qu'aucune redissolution de gaz n'a lieu sur 900 m, et que

l'écoulement diphasique est homogène. Cette dernière condition est tout à fait plausible au vu du

nombre de Reynolds élevé (régime turbulent : 100 m3/h d'eau dans un casing 7") et de la faible

quantité de gaz (GLR 20%). La comparaison entre les courbes d'écoulement monophasique et

diphasique conduit à une différence sur la pression d'injection de l'ordre de 1 bar, ce qui ne permet

pas d'expliquer les fortes pressions d'injections nécessaires pendant les essais (débit de fluide

inférieur et pression en tête de puits très supérieure).

Cependant, il est aussi envisageable qu'une certaine accumulation de gaz se piège dans la

partie supérieure du casing. Ce phénomène transitoire est difllcilement modélisable.

En ce qui concerne le colmatage du réservoir par des bulles de gaz il faut noter que le GLR

en condition de fond (pression, température), si aucune redissolution n'a lieu pendant le transport,

est de l'ordre de 10-3. Malgré cela certaines expérimentations de percolation montrent la grande

sensibilité de la perméabilité des grès au passage d'un bouchon d'azote injecté sous haute pression

(cf. § 4.3.5).

Cependant les tests de réinjection effectués sur le site d'Achères ont été réalisés après

dégazage du fluide (stockage intermédiaire dans un bassin, sous bâche) à pression

atmosphérique). Aussi les problèmes similaires rencontrés sur ce site minimisent l'influence du

gaz dans le phénomène de colmatage, et on doit admettre soit un rôle négligeable des bulles, soit

une redissolution rapide imposée par la pression de réinjection.

89SGN1413E/IRG 79

CONTRAT TRIAS

MONO

DIPH

800 1000PROFONDEUR EN METRES

Figure 28 Comparaison de gradient de pression monophasique et diphasique

80 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

MONO

DIPH

800 1000PROFONDEUR EN METRES

Figure 28 Comparaison de gradient de pression monophasique et diphasique

80 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

5 - CHIMIE

5.1 CHIMIE DES FLUIDES DU TRIAS

5.1.1 - Au niveau européen

Les formations argilo-gréseuses du Trias sont très répandues en Europe. Une sélection

d'analyses chimiques effectuées sur divers puits montre que les fluides présentent des

caractéristiques chimiques voisines (cf. tableau 6) : salinité totale élevée, teneur en fer ferreux

importante, faible concentration en silice, absence totale de sulfures, rapport gaz-liquide

important et prédominance d'azote et de méthane. Les résultats des recherches effectuées à

Melleray devraient donc être très utiles pour tout développement de sites géothermiques au Trias

en Europe.

Sitel'aysl*uits

TCcformalion)pli (rnlclc)G1.K»TDS g/1

Hhasc gazouRe (vol. %)NjC()2CII4Ar + II2 + Ile

Phuse liquide (ppni)NaKCa

MgKcS1O2Clso<llCOa

Melleray (IlFranceGMYl

75 5

0 2635 2

63 1

29 3

6.212

1 1 0(10320

12364096137

20 0001760319

SoulU(2lFranceW4616

120

0.2100

28 246 856

19 2"

28C00326

6 920138

178*"

57 800254665

MeUnopoli(3lluly

Well 2d

657.05

2.94

0812

97.703

24 100194

2114691

29 I42 558

27183 '

Aar$(4lDenmarkWell U

8050

0.14268

32 317

49 32

74 000730

23 5002 95027048

167 0004880

Marchwood (5)U.K.

Well I

73 66.75

-

103.4

774517.5

1

33240582

3 6706584233.2

63 8151400

81

Southampton (5)U.K.

Western Espl. well 1

76 060

-

124.5

746.71741.9

41300705

4 2407524138 1

75 9001230

71

* rapport ga7yiiquide(m3/m3)la forte valeur mesurée on Il2(18 I *%) est probablement duc à des réactions de corrosion

**' la forte tenrur en fer doit aussi résulter de phénonicnesdc currusion

(llVualairtof (19881 ; (21 Données IMKG ;(3) ACIP(1988)(41 Dansk Olie and .Nalurgas (19331 ; (51 Allen tl al. (1983)

Tableau 6 - Composition chimique de quelques fluides du Trias en Europe

89SGN1413E/IRG 81

RAPPORT FINAL

5 - CHIMIE

5.1 CHIMIE DES FLUIDES DU TRIAS

5.1.1 - Au niveau européen

Les formations argilo-gréseuses du Trias sont très répandues en Europe. Une sélection

d'analyses chimiques effectuées sur divers puits montre que les fluides présentent des

caractéristiques chimiques voisines (cf. tableau 6) : salinité totale élevée, teneur en fer ferreux

importante, faible concentration en silice, absence totale de sulfures, rapport gaz-liquide

important et prédominance d'azote et de méthane. Les résultats des recherches effectuées à

Melleray devraient donc être très utiles pour tout développement de sites géothermiques au Trias

en Europe.

Sitel'aysl*uits

TCcformalion)pli (rnlclc)G1.K»TDS g/1

Hhasc gazouRe (vol. %)NjC()2CII4Ar + II2 + Ile

Phuse liquide (ppni)NaKCa

MgKcS1O2Clso<llCOa

Melleray (IlFranceGMYl

75 5

0 2635 2

63 1

29 3

6.212

1 1 0(10320

12364096137

20 0001760319

SoulU(2lFranceW4616

120

0.2100

28 246 856

19 2"

28C00326

6 920138

178*"

57 800254665

MeUnopoli(3lluly

Well 2d

657.05

2.94

0812

97.703

24 100194

2114691

29 I42 558

27183 '

Aar$(4lDenmarkWell U

8050

0.14268

32 317

49 32

74 000730

23 5002 95027048

167 0004880

Marchwood (5)U.K.

Well I

73 66.75

-

103.4

774517.5

1

33240582

3 6706584233.2

63 8151400

81

Southampton (5)U.K.

Western Espl. well 1

76 060

-

124.5

746.71741.9

41300705

4 2407524138 1

75 9001230

71

* rapport ga7yiiquide(m3/m3)la forte valeur mesurée on Il2(18 I *%) est probablement duc à des réactions de corrosion

**' la forte tenrur en fer doit aussi résulter de phénonicnesdc currusion

(llVualairtof (19881 ; (21 Données IMKG ;(3) ACIP(1988)(41 Dansk Olie and .Nalurgas (19331 ; (51 Allen tl al. (1983)

Tableau 6 - Composition chimique de quelques fluides du Trias en Europe

89SGN1413E/IRG 81

00to

(X<s>

CO

o

CO

m

»

H(S

(T»c

I

Oo3

oo

o3O3-

Cre

re

CoJreen

Q.C

I»(fla.cca»W)(/>

3TJCO

(fl're*3

Site

Puils

Datt

Profondeur (mt

TDS (g/1)

Tttnp de fond ("Cl

Na

K

Ct

Mi

SiOi

Fe

HCOj

Cl

SO4

Achèrri

ACIII

02/83

1896

M 3

79

29740

470

6832

948

30

18

159

60350

380

Achtref

ACH2

02'83

1892

99 2

78

30140

460

6376

944

47

31

159

60350

360

DIancafort

BLI

1965

1440

30 2

67

10200

325

1060

218

-

10

106

16152

3300

CerijF

CCYl

1982

1937

97.S

77

28000

427

7060

1060

22

28 5

08

57200

360

Chemfry

CIIMl

5/84

1150

44

54

1325

49

69

22

25

24

610

1356

960

Etafflpcs

ETl

1959

2125

78 5

62

25100

510

3560

972

-

154

47215

550

Mantet

M loi

1959

1350

60 8

-

18250

222

3800

753

-

288

36920

500

Marchenoir

Ml

1957

950

170

45

5526

-

440

165

-

160

7774

2600

Melleray

CMYl

12/83

1668

34 9

74

11000

320

1236

409

37

81

319

20000

1760

Mellaray

CMY2

12/80

1661

34 7

73

10900

309

1166

374

37

-

305

19738

1800

Chaunoy

CM 3

08'84

2200

111

100

32600

1150

7200

936

76

165

68000

325

Pasnei

PASl

03/85

2441

101.5

(US)

31000

1248

5285

685

(39)

-

134

62100

730

Pasnft

PASl

03.'85

2287

791

25450

856

2638

520

(42)

159

47900

1320

Pasnes

PASl

03/85

2141

513

17370

332

1340

269

(42)

250

29900

1730

Romorantin

VR32

0485

336

39

64

1162

40 6

35 8

119

29

18

799

600

1190

Villefranc)ie

VR52

03/88

1459

Z

35

710

26 4

13 5

50

36

34

736

130

800

Concentrations expriméca rn tng/lLei 3 valeuri d« Si02 entre parentli^sft tont probablemant fous.e«üm^«8

nO

H

>

H2>

00to

(X<s>

CO

o

CO

m

»

H(S

(T»c

I

Oo3

oo

o3O3-

Cre

re

CoJreen

Q.C

I»(fla.cca»W)(/>

3TJCO

(fl're*3

Site

Puils

Datt

Profondeur (mt

TDS (g/1)

Tttnp de fond ("Cl

Na

K

Ct

Mi

SiOi

Fe

HCOj

Cl

SO4

Achèrri

ACIII

02/83

1896

M 3

79

29740

470

6832

948

30

18

159

60350

380

Achtref

ACH2

02'83

1892

99 2

78

30140

460

6376

944

47

31

159

60350

360

DIancafort

BLI

1965

1440

30 2

67

10200

325

1060

218

-

10

106

16152

3300

CerijF

CCYl

1982

1937

97.S

77

28000

427

7060

1060

22

28 5

08

57200

360

Chemfry

CIIMl

5/84

1150

44

54

1325

49

69

22

25

24

610

1356

960

Etafflpcs

ETl

1959

2125

78 5

62

25100

510

3560

972

-

154

47215

550

Mantet

M loi

1959

1350

60 8

-

18250

222

3800

753

-

288

36920

500

Marchenoir

Ml

1957

950

170

45

5526

-

440

165

-

160

7774

2600

Melleray

CMYl

12/83

1668

34 9

74

11000

320

1236

409

37

81

319

20000

1760

Mellaray

CMY2

12/80

1661

34 7

73

10900

309

1166

374

37

-

305

19738

1800

Chaunoy

CM 3

08'84

2200

111

100

32600

1150

7200

936

76

165

68000

325

Pasnei

PASl

03/85

2441

101.5

(US)

31000

1248

5285

685

(39)

-

134

62100

730

Pasnft

PASl

03.'85

2287

791

25450

856

2638

520

(42)

159

47900

1320

Pasnes

PASl

03/85

2141

513

17370

332

1340

269

(42)

250

29900

1730

Romorantin

VR32

0485

336

39

64

1162

40 6

35 8

119

29

18

799

600

1190

Villefranc)ie

VR52

03/88

1459

Z

35

710

26 4

13 5

50

36

34

736

130

800

Concentrations expriméca rn tng/lLei 3 valeuri d« Si02 entre parentli^sft tont probablemant fous.e«üm^«8

nO

H

>

H2>

RAPPORT FINAL

5.1.2 Au niveau du Bassin Parisien

La caractérisation chimique des fluides du Trias du Bassin Parisien a été réalisée à partir

d'analyses chimiques effectuées sur 14 puits de natures différentes :

- forages géothermiques (Cergy 1, Melleray 1 et 2, Achères 1 et 2),

- forages effectués par Gaz de France pour tester le potentiel de stockage de gaz naturel

(Romorantin VR 32, Chemery 3, Villefranche- sur-Cher VR 52),

- forages d'exploration pétrolière (Marchenoir, Pasnes, Blancafort, Etampes, Mantes,

Chaunoy).

La figure 1 donne la localisation de ces puits et le tableau 7 les analyses chimiques

correspondantes. L'interprétation détaillée de ces données a fait l'objet d'un article et d'une

présentation orale lors de la réunion des contractants de la CCE à Anvers en novembre 1986

(Fouillac et al., 1986). Elle met en évidence une évolution chimique du fluide de la bordure du

bassin vers le centre :

- augmentation régulière de la salinité totale et des concentrations en sodium et chlorures,

qui est fonction, d'une part de la distance parcourue par le fluide entre la zone de

recharge de l'aquifère et le forage et d'autre part de l'interaction avec des minéraux

solubles tels que les évaporites ;

- augmentation des teneurs en Ca, Mg et K, limitée par la solubilité d'un ou de plusieurs

minéraux néoformés ;

- diminution nette des teneurs en HCO3 et SO4, causée par la formation de minéraux.

Si l'on excepte les forages situés en bordure de bassin (Chemery, Romorantin et

Villefranche), les autres fluides du Trias du Bassin Parisien présentent un "faciès chimique"

extrêmement homogène, avec notamment un rapport Cl/TDS* pratiquement constant (= 0.6). De

plus, ce faciès est de même tj-pe que celui décrit ailleurs en Europe. Cette régularité constitue un

atout si l'on veut pouvoir adapter facilement les principes du traitement d'eau, mis au point à

Melleray, sur d'autres sites.

5.2 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DÉTAILLÉEDU FLUIDE DE MELLERAY

La connaissance précise de la composition chimique du fluide géothermal et de son

évolution dans le temps et dans l'espace (boucle géothermale) est nécessaire si l'on veut élaborer

un programme de traitement du fluide en vue de la réinjection et optimiser les conditions et le

schéma d'exploitation.

TDS : Total dissolved solids

89SGN1413E/1RG 83

RAPPORT FINAL

5.1.2 Au niveau du Bassin Parisien

La caractérisation chimique des fluides du Trias du Bassin Parisien a été réalisée à partir

d'analyses chimiques effectuées sur 14 puits de natures différentes :

- forages géothermiques (Cergy 1, Melleray 1 et 2, Achères 1 et 2),

- forages effectués par Gaz de France pour tester le potentiel de stockage de gaz naturel

(Romorantin VR 32, Chemery 3, Villefranche- sur-Cher VR 52),

- forages d'exploration pétrolière (Marchenoir, Pasnes, Blancafort, Etampes, Mantes,

Chaunoy).

La figure 1 donne la localisation de ces puits et le tableau 7 les analyses chimiques

correspondantes. L'interprétation détaillée de ces données a fait l'objet d'un article et d'une

présentation orale lors de la réunion des contractants de la CCE à Anvers en novembre 1986

(Fouillac et al., 1986). Elle met en évidence une évolution chimique du fluide de la bordure du

bassin vers le centre :

- augmentation régulière de la salinité totale et des concentrations en sodium et chlorures,

qui est fonction, d'une part de la distance parcourue par le fluide entre la zone de

recharge de l'aquifère et le forage et d'autre part de l'interaction avec des minéraux

solubles tels que les évaporites ;

- augmentation des teneurs en Ca, Mg et K, limitée par la solubilité d'un ou de plusieurs

minéraux néoformés ;

- diminution nette des teneurs en HCO3 et SO4, causée par la formation de minéraux.

Si l'on excepte les forages situés en bordure de bassin (Chemery, Romorantin et

Villefranche), les autres fluides du Trias du Bassin Parisien présentent un "faciès chimique"

extrêmement homogène, avec notamment un rapport Cl/TDS* pratiquement constant (= 0.6). De

plus, ce faciès est de même tj-pe que celui décrit ailleurs en Europe. Cette régularité constitue un

atout si l'on veut pouvoir adapter facilement les principes du traitement d'eau, mis au point à

Melleray, sur d'autres sites.

5.2 - CARACTÉRISATION CHIMIQUE DÉTAILLÉEDU FLUIDE DE MELLERAY

La connaissance précise de la composition chimique du fluide géothermal et de son

évolution dans le temps et dans l'espace (boucle géothermale) est nécessaire si l'on veut élaborer

un programme de traitement du fluide en vue de la réinjection et optimiser les conditions et le

schéma d'exploitation.

TDS : Total dissolved solids

89SGN1413E/1RG 83

00fi-

(»«>enOA

1-3

»'

(Td;c(»

Ôo

3XJo

o3o3"

.QCil)a.c

C

(îa.f5

s:<<

?£.f-tnCLre-Ire.

Z.rer>

o'3

2<torer*

T3Cr*(/;a.re

a-\occri

o'3

o2

Kchnntillons

DateDébit m3/h (2)Temperature °C (3)pli (3)

Na m{;/lKmg/ICa mg/lMg mg/lCl mg/lS()4 mg/lllCOamg/lSÍO2 ing/lFc mg/lSr mg/ll.i ing/iHa mg/lM mg/lF mg/lAl mg/l

TDS g/1

Suinnio des calions nic(i/lSomme des anions mecj/l

GMY2I

12/8Ü8569

G.28

10900309llfífi374

19738180030537

-

41.213.1s. 1

-

-

-

34.7574599

CMYl 1(1)

1/80-

-

-

107602951132331

175721900442

-

-

-

-

-

-

-

-

32.4559542

GMY12(I)

1/80-

-

-

119603401344417

209631550397

-

-

-

-

-

-

-

-

37.0630630

CMYl 3

2/8013869.56.75

116803191236390

1931218403603836

44.114.6

-

13

1.4

-

35.3614589

GMY14

12/8317067

6.17

110003201236409

200001760319376.1

45.010.60.2616.1

1.30.030

35.2585606

(ÎMYIS

11/858571

6.34

108803161210358

20280182029231

9.735.8

-

0.165-

4.30.332

35.2572615

OMY1.10

3/86146

72.46.33

118602491174366

19009189029337.37.2

38.811.2

0.17616.53.5

Ü.638

35.0614581

c:myi70

12/8636

69.56 07

117003101200363

19808195030836.610.237.711,3

0.15416.42.8

0.451

35.8609605

(1) Les échantillons (j M Y 1.1 et GMY 1.2 ont été prélevés entre packers, respectivement entre les niveaux 1441 - 1471 met 1561 - 1593 ni. Tous lesautres éclianlillons ont été prélevés en lele de puils (GMY 2 et GMY 1).

(2) Les valeurs données correspondent à des déliils pompes à l'exception de 36 m'/h en 1986, qui représenle le débit artésien.(3) Les mesures de lempéralure et de pli onlclcefrecluéesen lele de puils.

no'AH

H

>

00fi-

(»«>enOA

1-3

»'

(Td;c(»

Ôo

3XJo

o3o3"

.QCil)a.c

C

(îa.f5

s:<<

?£.f-tnCLre-Ire.

Z.rer>

o'3

2<torer*

T3Cr*(/;a.re

a-\occri

o'3

o2

Kchnntillons

DateDébit m3/h (2)Temperature °C (3)pli (3)

Na m{;/lKmg/ICa mg/lMg mg/lCl mg/lS()4 mg/lllCOamg/lSÍO2 ing/lFc mg/lSr mg/ll.i ing/iHa mg/lM mg/lF mg/lAl mg/l

TDS g/1

Suinnio des calions nic(i/lSomme des anions mecj/l

GMY2I

12/8Ü8569

G.28

10900309llfífi374

19738180030537

-

41.213.1s. 1

-

-

-

34.7574599

CMYl 1(1)

1/80-

-

-

107602951132331

175721900442

-

-

-

-

-

-

-

-

32.4559542

GMY12(I)

1/80-

-

-

119603401344417

209631550397

-

-

-

-

-

-

-

-

37.0630630

CMYl 3

2/8013869.56.75

116803191236390

1931218403603836

44.114.6

-

13

1.4

-

35.3614589

GMY14

12/8317067

6.17

110003201236409

200001760319376.1

45.010.60.2616.1

1.30.030

35.2585606

(ÎMYIS

11/858571

6.34

108803161210358

20280182029231

9.735.8

-

0.165-

4.30.332

35.2572615

OMY1.10

3/86146

72.46.33

118602491174366

19009189029337.37.2

38.811.2

0.17616.53.5

Ü.638

35.0614581

c:myi70

12/8636

69.56 07

117003101200363

19808195030836.610.237.711,3

0.15416.42.8

0.451

35.8609605

(1) Les échantillons (j M Y 1.1 et GMY 1.2 ont été prélevés entre packers, respectivement entre les niveaux 1441 - 1471 met 1561 - 1593 ni. Tous lesautres éclianlillons ont été prélevés en lele de puils (GMY 2 et GMY 1).

(2) Les valeurs données correspondent à des déliils pompes à l'exception de 36 m'/h en 1986, qui représenle le débit artésien.(3) Les mesures de lempéralure et de pli onlclcefrecluéesen lele de puils.

no'AH

H

>

RAPPORT FINAL

5.2.1 - Prélèvements à différents niveaux dans le forage

Lors des tests en fin de forage du puits de production, deux prélèvements ont été effectués

entre packers dans deux zones productrices du Trias fournissant 20 et 25 % du débit total

(échantillons GMYl.l et GMYl. 2 respectivement). D'importantes différences dans les

concentrations en ions majeurs sont constatées ; il en va de même pour la salinité totale qui est de

32,4 g/1 pour le niveau le moins profond et de 37,0 g/1 pour l'autre (cf. tableau 8). Ces valeurs sont

extrêmes par rapport à celles qui ont été mesurées en tête de puits et qui sont comprises entre 35,0

et 35,8 g/1 (cf. tableau 3) ; ces dernières doivent donc être logiquement des moyennes des différents

niveaux producteurs. L'hétérogénéité chimique verticale du réservoir du Trias semble donc être

démontrée. Les analyses chimiques effectuées sur le site de Pasnes à trois profondeurs différentes

confirment ces propos (cf. tableau 7 et Fouillac et al., 1986).

5.2.2 - Comparaison entre le puits de production et le puitsd'injection

Deux prélèvements effectués en tête des puits GMYl et GMY2 pour un même débit de

85 m3/h montrent que la salinité totale du fluide est plus faible pour GMY2 (34,7 g/1) que pour

GMYl (35,3 g/1) (cf. tableau 8). Des différences sont également constatées dans les concentrations

en éléments majeurs. Il semble donc qu'il y ait une hétérogénéité chimique latérale dans le

réservoir du Trias, non seulement à l'échelle régionale du Bassin Parisien mais aussi à l'échelle du

kilomètre (les 2 puits GMYl et GMY2 sont distants de 1 km).

5.2.3 - Suivis géochimiques journaliers

Etant donné la variation chimique verticale entre différents niveaux producteurs, il est

probable que la chimie du fluide géothermal en tête de puits varie en fonction du débit car les

nuiveaux doivent être sollicités différemment. Par ailleurs, la variation chimique latérale

observée suggère également que des variations puissent être enregistrées en tête de puits en

fonction du temps. C'est pourquoi il est apparu nécessaire d'effectuer des suivis chimiques

journaliers sur des périodes de 1 mois et pour différents débits.

Deux suivis ont été réalisés en 1986.

1er suivi : du 4 février au 19 mars 1986

débit pompé : 148 m3/h

30 prélèvements en tête de puits GMYl

89SGN1413E/IRG 85

RAPPORT FINAL

5.2.1 - Prélèvements à différents niveaux dans le forage

Lors des tests en fin de forage du puits de production, deux prélèvements ont été effectués

entre packers dans deux zones productrices du Trias fournissant 20 et 25 % du débit total

(échantillons GMYl.l et GMYl. 2 respectivement). D'importantes différences dans les

concentrations en ions majeurs sont constatées ; il en va de même pour la salinité totale qui est de

32,4 g/1 pour le niveau le moins profond et de 37,0 g/1 pour l'autre (cf. tableau 8). Ces valeurs sont

extrêmes par rapport à celles qui ont été mesurées en tête de puits et qui sont comprises entre 35,0

et 35,8 g/1 (cf. tableau 3) ; ces dernières doivent donc être logiquement des moyennes des différents

niveaux producteurs. L'hétérogénéité chimique verticale du réservoir du Trias semble donc être

démontrée. Les analyses chimiques effectuées sur le site de Pasnes à trois profondeurs différentes

confirment ces propos (cf. tableau 7 et Fouillac et al., 1986).

5.2.2 - Comparaison entre le puits de production et le puitsd'injection

Deux prélèvements effectués en tête des puits GMYl et GMY2 pour un même débit de

85 m3/h montrent que la salinité totale du fluide est plus faible pour GMY2 (34,7 g/1) que pour

GMYl (35,3 g/1) (cf. tableau 8). Des différences sont également constatées dans les concentrations

en éléments majeurs. Il semble donc qu'il y ait une hétérogénéité chimique latérale dans le

réservoir du Trias, non seulement à l'échelle régionale du Bassin Parisien mais aussi à l'échelle du

kilomètre (les 2 puits GMYl et GMY2 sont distants de 1 km).

5.2.3 - Suivis géochimiques journaliers

Etant donné la variation chimique verticale entre différents niveaux producteurs, il est

probable que la chimie du fluide géothermal en tête de puits varie en fonction du débit car les

nuiveaux doivent être sollicités différemment. Par ailleurs, la variation chimique latérale

observée suggère également que des variations puissent être enregistrées en tête de puits en

fonction du temps. C'est pourquoi il est apparu nécessaire d'effectuer des suivis chimiques

journaliers sur des périodes de 1 mois et pour différents débits.

Deux suivis ont été réalisés en 1986.

1er suivi : du 4 février au 19 mars 1986

débit pompé : 148 m3/h

30 prélèvements en tête de puits GMYl

89SGN1413E/IRG 85

CONTRAT TRIAS

2ème suivi ; du 17 novembre au 19 décembre 1986

débitartésien : ~ 36m3/h

25 prélèvements en tête de puits GMYl

Pour chacun des prélèvements des deux suivis, des échantillons ont été collectés pour

analyse et les mesures suivantes ont été effectuées sur place :

- pression dans le circuit,

- débit,

-température,

-pH,

-Eh.

La réserve alcaline Rb (ou alcalinité totale) a été dosée dans les 24 heures. Le fer, la silice et

les chlorures ont été analysés à la fin de chaque suivi sur des échantillons acidifiés

immédiatement après filtration à 0,45 pm, pour disposer du maximum de précision analytique, en

évitant les problèmes de dérive des appareils.

Paramètres

Débit (m3/h)

Pression en tête (bars abs.)

Température en tête (°C)

pH(2)

HCO3 (mg/l) (2)

Fe (mg/l) (2)

SÍO2 (mg/l) (2)

Cl (mg/l) (2)

1er suivi (1)Moyenne ± écart-

type

148 (pompé)

5

72.4 ± 0.1

6.30 ± 0.02

295 ±5

7.9 ± 0.5

37.4 ± 0.3

19 520 ± 800

2ème suivi (1)Moyenne ± écart-

type

- 36 (artésien)

1.8

69.4 ± 0.3

6.07 ±0.01

308 ±2

10.1 ±0.1

36.8 ±0.3

19 870 ±40

(1) Nombre de mesures : 1er suivi = 30 échantillons (44 jours): 2ème suivi = 25 échantillons (33 jours)

(2) A pression atmosphérique

Tableau 9 - Résultats des deux suivis journaliers du fluideen tête du puits GMYl

86 89SGN14I3E/IRG

CONTRAT TRIAS

2ème suivi ; du 17 novembre au 19 décembre 1986

débitartésien : ~ 36m3/h

25 prélèvements en tête de puits GMYl

Pour chacun des prélèvements des deux suivis, des échantillons ont été collectés pour

analyse et les mesures suivantes ont été effectuées sur place :

- pression dans le circuit,

- débit,

-température,

-pH,

-Eh.

La réserve alcaline Rb (ou alcalinité totale) a été dosée dans les 24 heures. Le fer, la silice et

les chlorures ont été analysés à la fin de chaque suivi sur des échantillons acidifiés

immédiatement après filtration à 0,45 pm, pour disposer du maximum de précision analytique, en

évitant les problèmes de dérive des appareils.

Paramètres

Débit (m3/h)

Pression en tête (bars abs.)

Température en tête (°C)

pH(2)

HCO3 (mg/l) (2)

Fe (mg/l) (2)

SÍO2 (mg/l) (2)

Cl (mg/l) (2)

1er suivi (1)Moyenne ± écart-

type

148 (pompé)

5

72.4 ± 0.1

6.30 ± 0.02

295 ±5

7.9 ± 0.5

37.4 ± 0.3

19 520 ± 800

2ème suivi (1)Moyenne ± écart-

type

- 36 (artésien)

1.8

69.4 ± 0.3

6.07 ±0.01

308 ±2

10.1 ±0.1

36.8 ±0.3

19 870 ±40

(1) Nombre de mesures : 1er suivi = 30 échantillons (44 jours): 2ème suivi = 25 échantillons (33 jours)

(2) A pression atmosphérique

Tableau 9 - Résultats des deux suivis journaliers du fluideen tête du puits GMYl

86 89SGN14I3E/IRG

RAPPORT FINAL

On remarque sur le tableau 9 que pour un débit différent, quatre des six paramètres

comparés ont varié en valeur absolue. La température baisse de 3°C entre le 1er et le 2ème suivi en

raison de la vitesse du fluide dans le forage qui est moins importante. Le pH baisse de 0.23 unités

alors que HCO3 augmente de 13 mg/l. Quant à Fe, il augmente notablement de 2,2 mg/l. Le

potentiel redox (Eh) a également été mesuré lors des deux suivis, mais sa valeur est trop sujette à

des variations (température de mesure, état de surface de l'électrode) pour une interprétation

quantitative et une comparaison entre les deux suivis.

En terme de variations au cours du temps, on remarque également des différences

importantes entre le 1er et le 2ème suivi.

Pendant le 1er suivi (débit pompé), les cinq paramètres utilisés pour cette comparaison (pH,

HCO3, SÍO2, Fe et Cl) montrent des variations relativement importantes, nettement au-delà de la

précision de mesure. Les variations ne sont pas toujours en phase entre les différents paramètres

et ne se reproduisent pas de manière identique. Dans le cas du 25e jour, on peut noter une des plus

importantes variations pour 4 paramètres simultanément (figure 29a).

Pendant le 2ème suivi (débit artésien) le pH et les concentrations en HCO3, SÍO2, Fe et Cl

sont peu modifiés au cours du temps et restent proches de la limite de reproductibilité des mesures

(figure 29b).

Plusieurs explications peuvent être avancées pour comprendre ces différences :

- Débit de pompage non stabilisé, contrairement à l'indication du débitmètre (148 plus ou

moins 2 m3/h). La lecture des débitmètres électromagnétiques est faussée dans un milieu

diphasique.

- Hétérogénéité chimique latérale du réservoir du Trias, qui se fait plus vite et plus

fortement sentir à débit élevé.

- Variation du chimisme en fonction du débit, liée à des niveaux productifs différents dans

le Trias, comme le suggère en particulier le fort écart de pH entre les 2 débits qui ne peut

être dû au seul effet de température.

- Variation du temps d'interaction entre le fluide et le casing en fonction du débit: la

corrosion et la baisse de température sont plus importantes à faible débit puisque la

vitesse de remontée est plus faible.

Quoi qu'il en soit, les variations observées en fonction du temps et du débit ne sont pas assez

importantes pour exiger des changements dans les procédures de traitement de fluide.

89SGN1413E/IRG 87

RAPPORT FINAL

On remarque sur le tableau 9 que pour un débit différent, quatre des six paramètres

comparés ont varié en valeur absolue. La température baisse de 3°C entre le 1er et le 2ème suivi en

raison de la vitesse du fluide dans le forage qui est moins importante. Le pH baisse de 0.23 unités

alors que HCO3 augmente de 13 mg/l. Quant à Fe, il augmente notablement de 2,2 mg/l. Le

potentiel redox (Eh) a également été mesuré lors des deux suivis, mais sa valeur est trop sujette à

des variations (température de mesure, état de surface de l'électrode) pour une interprétation

quantitative et une comparaison entre les deux suivis.

En terme de variations au cours du temps, on remarque également des différences

importantes entre le 1er et le 2ème suivi.

Pendant le 1er suivi (débit pompé), les cinq paramètres utilisés pour cette comparaison (pH,

HCO3, SÍO2, Fe et Cl) montrent des variations relativement importantes, nettement au-delà de la

précision de mesure. Les variations ne sont pas toujours en phase entre les différents paramètres

et ne se reproduisent pas de manière identique. Dans le cas du 25e jour, on peut noter une des plus

importantes variations pour 4 paramètres simultanément (figure 29a).

Pendant le 2ème suivi (débit artésien) le pH et les concentrations en HCO3, SÍO2, Fe et Cl

sont peu modifiés au cours du temps et restent proches de la limite de reproductibilité des mesures

(figure 29b).

Plusieurs explications peuvent être avancées pour comprendre ces différences :

- Débit de pompage non stabilisé, contrairement à l'indication du débitmètre (148 plus ou

moins 2 m3/h). La lecture des débitmètres électromagnétiques est faussée dans un milieu

diphasique.

- Hétérogénéité chimique latérale du réservoir du Trias, qui se fait plus vite et plus

fortement sentir à débit élevé.

- Variation du chimisme en fonction du débit, liée à des niveaux productifs différents dans

le Trias, comme le suggère en particulier le fort écart de pH entre les 2 débits qui ne peut

être dû au seul effet de température.

- Variation du temps d'interaction entre le fluide et le casing en fonction du débit: la

corrosion et la baisse de température sont plus importantes à faible débit puisque la

vitesse de remontée est plus faible.

Quoi qu'il en soit, les variations observées en fonction du temps et du débit ne sont pas assez

importantes pour exiger des changements dans les procédures de traitement de fluide.

89SGN1413E/IRG 87

CONTRAT TRIAS

10 15 20 25 30

G.4

6.3

62-"630

-3-S345

0

-1.5 H

-312 n

a

4

\ XPxr^

.-^

XJX

IP"^

G.4

6.3 pH6.2630 AhCOjC/.)-3-G3150 Asio,(v.)-L5

-3r«l2

10 15 20 25 30

10 15 20 Jl.6.2

6J

6.0

2i

0

-2

4

0-

-463^0

-3-6-"

'^^'^^.^^W'

r»-î-

6.2

6J 9H

6.0

r«2 .-[ 0 AhCOjCA)

r'2

0 ASiOj(%)

I--2

4

0 A Fe (%)

L-4

>Z

0 Aci(%)36

10 15 20 25

Figure 29 - Variations au cours du temps des paramètres chimiques

du fluide de Melleray exprimées en pourcents autour de la moyenne.

Les barres d'erreur correspondent à l'écart-type des valeurs autour de la movenne.

88 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

10 15 20 25 30

G.4

6.3

62-"630

-3-S345

0

-1.5 H

-312 n

a

4

\ XPxr^

.-^

XJX

IP"^

G.4

6.3 pH6.2630 AhCOjC/.)-3-G3150 Asio,(v.)-L5

-3r«l2

10 15 20 25 30

10 15 20 Jl.6.2

6J

6.0

2i

0

-2

4

0-

-463^0

-3-6-"

'^^'^^.^^W'

r»-î-

6.2

6J 9H

6.0

r«2 .-[ 0 AhCOjCA)

r'2

0 ASiOj(%)

I--2

4

0 A Fe (%)

L-4

>Z

0 Aci(%)36

10 15 20 25

Figure 29 - Variations au cours du temps des paramètres chimiques

du fluide de Melleray exprimées en pourcents autour de la moyenne.

Les barres d'erreur correspondent à l'écart-type des valeurs autour de la movenne.

88 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Pour des précisions complémentaires sur les protocoles de mesures et l'interprétation des

résultats, l'on pourra se référer aux articles suivants donnés en annexe: Fouillac et al. (1986),

Vuataz ei ai. (1988).

5.2.4 - Etude de la phase gazeuse

Des analyses de gaz ont été réalisées pour 3 débits différents et sont données en tableau 10.

Débit (m3/h)

DateTCO

GLR* (m3/m3)

CO2

N2

CH4

He

Ar

O2

H2S

II2

C2H6

170

12/8367

0.10(0.26**)

Gaz libres(voL*)

29.3

63.1

6.2

1.02

0.17

0.16

< 15 ppm

310 ppm

190 ppm

Gaz dissous(mole/1)

3.2910-3

3.1510-4

2.75 10-5

1.9510-6

1.3510 6

1.5810-5

< 1.41 lO-T

< 4.59 10-7

85

11/8571

0.074

Gaz libres(vol. %)

31.1

59.3

8.2

1.12

0.15

0.03

< 10 ppm

380 ppm

0.02

Gaz dissous(mole/1)

510 3

2.310-<

5.310-5

3.310 6

< 1.010-6

1.610 6

3.310-7

1.210-''

36

02/8765

0.024

Gaz libres(vol.%)

30.2

56.4

6.94

0.6

0.4

5.48

< 5 ppm

35 ppm

120 ppm

Gaz dissous(mole/l)

5.4 103

3.610-4

9.910 5

4.010-6

< 1.4 10-6

1.4 10 5

< 1.510 8

2.710 7

* les mesures de GLR sont 1res vraisemblablement sous-estimées (cf. texte)** une valeur de 0.26 semble plus juste (cf. texte)

Tableau 10 - Analyses de la phase gazeuse à différents débits

Les essais et tests effectués sur le puits ont mis en évidence des bulles de gaz dès 16-20 bars.

Le point de bulle à Melleray serait donc très élevé. A pression atmosphérique le volume gazeux est

important au vu des observations faites. Les mesures de GLR données en tableau 8 sont très

vraisemblablement sous-estimées car la méthode de mesure du GLR qui a été utilisée n'est pas

adaptée à des liquides diphasiques à fort rapport gaz/liquide. En effet, la méthode de prélèvement,

effectué dans un fluide stratifié (gaz-eau), ne permet pas d'obtenir un échantillon représentatif du

fluide total et donc du réel rapport gaz/liquide. Par ailleurs, le calcul du point de bulle effectué à

l'aide du modèle TPDEGAZ (cf. 5.5) aboutit à des valeurs très basses quel que soit le débit, ce qui

confirme que les valeurs de GLR ont été sous-estimées (cf. tableau 11).

89SGN1413E/IRG 89

RAPPORT FINAL

Pour des précisions complémentaires sur les protocoles de mesures et l'interprétation des

résultats, l'on pourra se référer aux articles suivants donnés en annexe: Fouillac et al. (1986),

Vuataz ei ai. (1988).

5.2.4 - Etude de la phase gazeuse

Des analyses de gaz ont été réalisées pour 3 débits différents et sont données en tableau 10.

Débit (m3/h)

DateTCO

GLR* (m3/m3)

CO2

N2

CH4

He

Ar

O2

H2S

II2

C2H6

170

12/8367

0.10(0.26**)

Gaz libres(voL*)

29.3

63.1

6.2

1.02

0.17

0.16

< 15 ppm

310 ppm

190 ppm

Gaz dissous(mole/1)

3.2910-3

3.1510-4

2.75 10-5

1.9510-6

1.3510 6

1.5810-5

< 1.41 lO-T

< 4.59 10-7

85

11/8571

0.074

Gaz libres(vol. %)

31.1

59.3

8.2

1.12

0.15

0.03

< 10 ppm

380 ppm

0.02

Gaz dissous(mole/1)

510 3

2.310-<

5.310-5

3.310 6

< 1.010-6

1.610 6

3.310-7

1.210-''

36

02/8765

0.024

Gaz libres(vol.%)

30.2

56.4

6.94

0.6

0.4

5.48

< 5 ppm

35 ppm

120 ppm

Gaz dissous(mole/l)

5.4 103

3.610-4

9.910 5

4.010-6

< 1.4 10-6

1.4 10 5

< 1.510 8

2.710 7

* les mesures de GLR sont 1res vraisemblablement sous-estimées (cf. texte)** une valeur de 0.26 semble plus juste (cf. texte)

Tableau 10 - Analyses de la phase gazeuse à différents débits

Les essais et tests effectués sur le puits ont mis en évidence des bulles de gaz dès 16-20 bars.

Le point de bulle à Melleray serait donc très élevé. A pression atmosphérique le volume gazeux est

important au vu des observations faites. Les mesures de GLR données en tableau 8 sont très

vraisemblablement sous-estimées car la méthode de mesure du GLR qui a été utilisée n'est pas

adaptée à des liquides diphasiques à fort rapport gaz/liquide. En effet, la méthode de prélèvement,

effectué dans un fluide stratifié (gaz-eau), ne permet pas d'obtenir un échantillon représentatif du

fluide total et donc du réel rapport gaz/liquide. Par ailleurs, le calcul du point de bulle effectué à

l'aide du modèle TPDEGAZ (cf. 5.5) aboutit à des valeurs très basses quel que soit le débit, ce qui

confirme que les valeurs de GLR ont été sous-estimées (cf. tableau 11).

89SGN1413E/IRG 89

CONTRAT TRIAS

Débit (m3/h)

Point de bullecalculé

(bars abs.)

170

7.1

85

5.2

36

2.7

Tableau 1 1 - Valeurs calculées du point debulle pour différents débits

\

M 0.

14

o

2-

\\

Débit Im7h) Dote

X\

\\

\\

X\

Q. \K-

=è-

Conditions de mesure

Cellule de filtration en ligne0 47mm

^^n 85?

\ 149

\^o 149

^A 36

A 36

(CFG) 1985

12-2-86

21-4-86

8-8-8624-11-86

0.2 0.45 0.8 1.2O.OI 0.05 0.1

I 1 I

3 8 12

Porosité des filtres ( [im )

Figure 30 - Représentation de la charge solide du fluide géothermal de Mellerayen fonction de la porosité des filtres

Débit(m3/h)

149 (pompé)

~ 36 (artésien)

Charge solidetotale (> 0.01 pm)

(mg/l)

4.8

7.5

Poids total derésidus(kg/j)

17

6.5

Poids total derésidus

(tonnes/7mois)*

3.6

1.4

* 7 mois est une durée de saison de chauffe normale

Tableau 12 - Charge solide en tête de puits GMY 1

90 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Débit (m3/h)

Point de bullecalculé

(bars abs.)

170

7.1

85

5.2

36

2.7

Tableau 1 1 - Valeurs calculées du point debulle pour différents débits

\

M 0.

14

o

2-

\\

Débit Im7h) Dote

X\

\\

\\

X\

Q. \K-

=è-

Conditions de mesure

Cellule de filtration en ligne0 47mm

^^n 85?

\ 149

\^o 149

^A 36

A 36

(CFG) 1985

12-2-86

21-4-86

8-8-8624-11-86

0.2 0.45 0.8 1.2O.OI 0.05 0.1

I 1 I

3 8 12

Porosité des filtres ( [im )

Figure 30 - Représentation de la charge solide du fluide géothermal de Mellerayen fonction de la porosité des filtres

Débit(m3/h)

149 (pompé)

~ 36 (artésien)

Charge solidetotale (> 0.01 pm)

(mg/l)

4.8

7.5

Poids total derésidus(kg/j)

17

6.5

Poids total derésidus

(tonnes/7mois)*

3.6

1.4

* 7 mois est une durée de saison de chauffe normale

Tableau 12 - Charge solide en tête de puits GMY 1

90 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Pour que la valeur calculée du point de bulle atteigne au moins 16 bars, il faut que le GLR

soit égal à 0,26, ceci pour un débit d'exploitation de 170 m3/h. C'est cette valeur que l'on retiendra

comme étant très certainement plus juste.

5.2.5 - Etude des particules solides

De nombreux essais de filtration ont été effectués à Melleray en 1986, essentiellement en

tête de puits GMYl, avec une cellule de filtration inox de petit diamètre (avec, par conséquent, de

petits volumes de fluide filtrés) mais également en d'autres points de la boucle et avec un filtre de

grande capacité.

Charge solide

En 1985, quelques mesures avec des filtres de 0,45 et 0,2 pm réalisées par la Compagnie

Française de Géothermie ont donné une première idée de la charge solide du fluide géothermal

avec des valeurs de respectivement 1 et 2,1 mg/l. En 1986, trois expériences de filtration sur une

gamme de filtres allant de 12 à 0,01 pm pour une surface filtrante de 17,3 cm3 ont été réalisées à

deux débits d'exploitation différents. La première série de filtration (12/02/86) ne met pas en

évidence un accroissement régulier de la charge solide avec la diminution de la porosité des filtres

(figure 30). Cela peut s'expliquer par les faibles volumes de fluide qui ont été mis enjeu : 10 1 pour

12 pm et 0.3 1 pour O.Olpm. En revanche, pour les expériences suivantes, des volumes de fluide

4 fois plus importants ont été passés sur chaque filtre (1 à 40 1).

On constate des difi'érences importantes de la charge solide selon le débit d'exploitation. En

effet, si l'on passe de 149 m3/h pompés à 36 m3/h artésiens, la charge solide double (figure 30 et

tableau 12). Pour un débit de 149 m3/h, c'est donc 3,6 tonnes de particules qui sont réinjectées dans

la formation au cours d'une saison de chauffe.

La validité de ces résultats et de cette méthode de filtration a été confirmée par plusieurs

expériences avec des filtres One-Sevener de grande capacité (0,36 m2) sur des volumes de fluide

beaucoup plus importants (27 à 113 m3). Pour plus de détails, on consultera le rapport annuel de

l'IMRG 1986.

89SGN1413E/IRG 91

RAPPORT FINAL

Pour que la valeur calculée du point de bulle atteigne au moins 16 bars, il faut que le GLR

soit égal à 0,26, ceci pour un débit d'exploitation de 170 m3/h. C'est cette valeur que l'on retiendra

comme étant très certainement plus juste.

5.2.5 - Etude des particules solides

De nombreux essais de filtration ont été effectués à Melleray en 1986, essentiellement en

tête de puits GMYl, avec une cellule de filtration inox de petit diamètre (avec, par conséquent, de

petits volumes de fluide filtrés) mais également en d'autres points de la boucle et avec un filtre de

grande capacité.

Charge solide

En 1985, quelques mesures avec des filtres de 0,45 et 0,2 pm réalisées par la Compagnie

Française de Géothermie ont donné une première idée de la charge solide du fluide géothermal

avec des valeurs de respectivement 1 et 2,1 mg/l. En 1986, trois expériences de filtration sur une

gamme de filtres allant de 12 à 0,01 pm pour une surface filtrante de 17,3 cm3 ont été réalisées à

deux débits d'exploitation différents. La première série de filtration (12/02/86) ne met pas en

évidence un accroissement régulier de la charge solide avec la diminution de la porosité des filtres

(figure 30). Cela peut s'expliquer par les faibles volumes de fluide qui ont été mis enjeu : 10 1 pour

12 pm et 0.3 1 pour O.Olpm. En revanche, pour les expériences suivantes, des volumes de fluide

4 fois plus importants ont été passés sur chaque filtre (1 à 40 1).

On constate des difi'érences importantes de la charge solide selon le débit d'exploitation. En

effet, si l'on passe de 149 m3/h pompés à 36 m3/h artésiens, la charge solide double (figure 30 et

tableau 12). Pour un débit de 149 m3/h, c'est donc 3,6 tonnes de particules qui sont réinjectées dans

la formation au cours d'une saison de chauffe.

La validité de ces résultats et de cette méthode de filtration a été confirmée par plusieurs

expériences avec des filtres One-Sevener de grande capacité (0,36 m2) sur des volumes de fluide

beaucoup plus importants (27 à 113 m3). Pour plus de détails, on consultera le rapport annuel de

l'IMRG 1986.

89SGN1413E/IRG 91

CONTRAT TRIAS

Distribution des tailles

La distribution des particules en fonction de leur taille a pu être évaluée au moyen des

valeurs de charge solide obtenues lors de l'expérience de filtration avec le débit de production

artésien (36 m3/h).

60

_ 50-

1.40-

#30

20-

10-

0

53%

12.8%

23.7%

4.5%o*6 /

1.95% 0.'42%

0.01 0.2 0.45 0.8 1.2

Diamèlre des particules (pm)8

Figure 31- Distribution de la taille des particules dans le fluide géothermal de Melleray

On constate que plus de 94 % du poids des particules est de taille inférieure à 1 micron et

que 53 % est de taille inférieure à 0,1 micron (figure 32). Cette prépondérance de particules

extrêmement fines sera importante à considérer au moment d'élaborer un traitement chimique et

physique du fluide géothermal avant réinjection.

92 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Distribution des tailles

La distribution des particules en fonction de leur taille a pu être évaluée au moyen des

valeurs de charge solide obtenues lors de l'expérience de filtration avec le débit de production

artésien (36 m3/h).

60

_ 50-

1.40-

#30

20-

10-

0

53%

12.8%

23.7%

4.5%o*6 /

1.95% 0.'42%

0.01 0.2 0.45 0.8 1.2

Diamèlre des particules (pm)8

Figure 31- Distribution de la taille des particules dans le fluide géothermal de Melleray

On constate que plus de 94 % du poids des particules est de taille inférieure à 1 micron et

que 53 % est de taille inférieure à 0,1 micron (figure 32). Cette prépondérance de particules

extrêmement fines sera importante à considérer au moment d'élaborer un traitement chimique et

physique du fluide géothermal avant réinjection.

92 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Nature

En 1984 et 1985, plusieurs études minéralogiques ont été réalisées sur les produits de dépôt

et de corrosion récoltés soit sur filtre en tête de puits, soit par cuillerage en fond de puits. En 1986,

ces travaux se sont poursuivis avec l'analyse de dépôts en divers points de la boucle géothermale :

filtre à 200 pm de la centrale, réacteurs du pilote de corrosion et cellule de filtration installée en

tête de puits GMYl.

En 1984, le rapport sur les particules en suspension (Boulmier, 1984) conclut à l'absence de

phases amorphes : toutes les particules retenues sur filtre en tête de puits, même les plus fines,

sont toujours plus ou moins cristallisées. Le fer, élément majoritaire, est essentiellement sous

forme de magnetite, mais aussi de sulfure, associé avec Cu, ou encore dans des phyllosilicates. Le

cuivre est relativement abondant mais mal cristallisé (Cu -I- S, Cu -f Fe -I- S). Zn et Pb sont aussi

détectés. La silice libre est rare, par contre Si et Al sont associés dans les silicates (kaolinite et

illite). Sur certains filtres, on observe par diffraction des rayons X la présence de gypse, dolomite,

quartz, marcassite et pirsonnite (Xa2 Ca (003)2- 2H2O).

Les deux séries de filtres analysés en 1986 pour deux débits différents (150 et 36m3/h)

mettent en évidence des différences importantes entre elles et par comparaison avec les résultats

de 1984 (Boulmier, 1986 et 1987). La granulométrie des particules ne diffère pas beaucoup, mais

une phase amorphe de composition complexe a été trouvée dans les résidus de filtration de 1986.

La proportion de cette phase amorphe croît lorsque l'on passe de la tête de puits GMYl à l'entrée

du pilote de filtration, puis à la sortie de l'échangeur de chaleur. La nature chimique des particules

est très variée (quartz, sulfure de Fe, phyllosilicates, oxydes et hydroxydes de Fe, carbonates

complexes, etc.), ainsi que leur taille (< 0,1 pm à > 5 pm). Par contre, la composition de la phase

amorphe est relativement homogène et est formée essentiellement de Fe auquel sont associés Al,

Si, S, P, Cl, Ca et Pb par ordre décroissant d'importance. Pour les particules prélevées à la sortie de

l'échangeur de chaleur, certains éléments se trouvent en plus grande proportion, tels Cr, Pb, V, Ti

et Zn qui sont des témoins de la corrosion des tubages et de l'échangeur de chaleur.

Trois produits de dépôts ont été prélevés pour analyse dans le filtre à 200 pm de la centrale

de chauffe et dans le premier container du pilote de corrosion. La taille des particules est élevée

(0,1 à 1 cm) ; leur forme (plaquettes) et leur composition (75-82 % de Fe203) montrent qu'elles

proviennent du casing ou du tubing de suspension de la pompe de GMYl, ce dernier ayant subi des

mises à l'air au cours de différentes opérations. Les minéraux trouvés par diffractométrie de

rayons X sont principalement la magnetite et la goethite ainsi que des traces d'hématite et de

sidérite.

89SGN1413E/IRG 93

RAPPORT FINAL

Nature

En 1984 et 1985, plusieurs études minéralogiques ont été réalisées sur les produits de dépôt

et de corrosion récoltés soit sur filtre en tête de puits, soit par cuillerage en fond de puits. En 1986,

ces travaux se sont poursuivis avec l'analyse de dépôts en divers points de la boucle géothermale :

filtre à 200 pm de la centrale, réacteurs du pilote de corrosion et cellule de filtration installée en

tête de puits GMYl.

En 1984, le rapport sur les particules en suspension (Boulmier, 1984) conclut à l'absence de

phases amorphes : toutes les particules retenues sur filtre en tête de puits, même les plus fines,

sont toujours plus ou moins cristallisées. Le fer, élément majoritaire, est essentiellement sous

forme de magnetite, mais aussi de sulfure, associé avec Cu, ou encore dans des phyllosilicates. Le

cuivre est relativement abondant mais mal cristallisé (Cu -I- S, Cu -f Fe -I- S). Zn et Pb sont aussi

détectés. La silice libre est rare, par contre Si et Al sont associés dans les silicates (kaolinite et

illite). Sur certains filtres, on observe par diffraction des rayons X la présence de gypse, dolomite,

quartz, marcassite et pirsonnite (Xa2 Ca (003)2- 2H2O).

Les deux séries de filtres analysés en 1986 pour deux débits différents (150 et 36m3/h)

mettent en évidence des différences importantes entre elles et par comparaison avec les résultats

de 1984 (Boulmier, 1986 et 1987). La granulométrie des particules ne diffère pas beaucoup, mais

une phase amorphe de composition complexe a été trouvée dans les résidus de filtration de 1986.

La proportion de cette phase amorphe croît lorsque l'on passe de la tête de puits GMYl à l'entrée

du pilote de filtration, puis à la sortie de l'échangeur de chaleur. La nature chimique des particules

est très variée (quartz, sulfure de Fe, phyllosilicates, oxydes et hydroxydes de Fe, carbonates

complexes, etc.), ainsi que leur taille (< 0,1 pm à > 5 pm). Par contre, la composition de la phase

amorphe est relativement homogène et est formée essentiellement de Fe auquel sont associés Al,

Si, S, P, Cl, Ca et Pb par ordre décroissant d'importance. Pour les particules prélevées à la sortie de

l'échangeur de chaleur, certains éléments se trouvent en plus grande proportion, tels Cr, Pb, V, Ti

et Zn qui sont des témoins de la corrosion des tubages et de l'échangeur de chaleur.

Trois produits de dépôts ont été prélevés pour analyse dans le filtre à 200 pm de la centrale

de chauffe et dans le premier container du pilote de corrosion. La taille des particules est élevée

(0,1 à 1 cm) ; leur forme (plaquettes) et leur composition (75-82 % de Fe203) montrent qu'elles

proviennent du casing ou du tubing de suspension de la pompe de GMYl, ce dernier ayant subi des

mises à l'air au cours de différentes opérations. Les minéraux trouvés par diffractométrie de

rayons X sont principalement la magnetite et la goethite ainsi que des traces d'hématite et de

sidérite.

89SGN1413E/IRG 93

CONTRAT TRIAS

DateDébit (m3/h)Porosité filtres (|im)

Cristallisation et taille

Eléments et associations

Phases minérales

Analyses d

12.1983170?

0.4 à 12

Pas de phase amorpheParticules microcrisLalIines(- 1 0 A)-» agrégats (Ipm)

Fe majoritaire (avec S, Cu, Si)Al + SiSi libre rareCu(avecSetFeS)Zn(avecSetCu)Pb(avecSetSiFeS)Cr.Ti, Ni rares

Magnetite Ab

Halite AbGypse AbDolomite AbPirsonnite Ab(Na2Ca(CO3)2.2H20)CuCl2.3(Cu(OH2)) AbIllite FaKaolinite TrMarcassite Tr

e résidus de nitration en tête de puits GMYl (1)

04.19861481.2

Phase amorphe présenteParticules de < 0.1 pm-» > 5

Fe (avec S. Pb, Si)Al + Si + K + FeAl + SiSi libreCu + ClCa + PCa T .Mg + FeTi + S + V

Ankérite (Ca MgFe) (C03)2)Kutnohorite (Ca .Mn (C03)2)HaliteMaghémiteHématite

(im

PrPrPrTrTr

Quartz infra Tr

CalciteGoethite

PoPo

11.198G36

1.2 à 3

Ph^se amorphe al}ondaParticules cristallisées

ntcprésentes

ZnS majoritaire (amorphe)FeSS + Fc + Zn + PbCuPbPNi

Kutnohorite

HaliteOxyde de ferK-feldspathQuartz

SmectiteIllite

TrPo

AbPoTrinfra Tr

infraTr?infra Tr

(I) Echelle qualitative des abondances : Ab (abondant) - Pr (présent) - Fa (faible) - Tr (trace) - Po (possible)

Tableau 13 - Caractéristiques comparées des particules en suspension dans le fluide de Melleray

94 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

DateDébit (m3/h)Porosité filtres (|im)

Cristallisation et taille

Eléments et associations

Phases minérales

Analyses d

12.1983170?

0.4 à 12

Pas de phase amorpheParticules microcrisLalIines(- 1 0 A)-» agrégats (Ipm)

Fe majoritaire (avec S, Cu, Si)Al + SiSi libre rareCu(avecSetFeS)Zn(avecSetCu)Pb(avecSetSiFeS)Cr.Ti, Ni rares

Magnetite Ab

Halite AbGypse AbDolomite AbPirsonnite Ab(Na2Ca(CO3)2.2H20)CuCl2.3(Cu(OH2)) AbIllite FaKaolinite TrMarcassite Tr

e résidus de nitration en tête de puits GMYl (1)

04.19861481.2

Phase amorphe présenteParticules de < 0.1 pm-» > 5

Fe (avec S. Pb, Si)Al + Si + K + FeAl + SiSi libreCu + ClCa + PCa T .Mg + FeTi + S + V

Ankérite (Ca MgFe) (C03)2)Kutnohorite (Ca .Mn (C03)2)HaliteMaghémiteHématite

(im

PrPrPrTrTr

Quartz infra Tr

CalciteGoethite

PoPo

11.198G36

1.2 à 3

Ph^se amorphe al}ondaParticules cristallisées

ntcprésentes

ZnS majoritaire (amorphe)FeSS + Fc + Zn + PbCuPbPNi

Kutnohorite

HaliteOxyde de ferK-feldspathQuartz

SmectiteIllite

TrPo

AbPoTrinfra Tr

infraTr?infra Tr

(I) Echelle qualitative des abondances : Ab (abondant) - Pr (présent) - Fa (faible) - Tr (trace) - Po (possible)

Tableau 13 - Caractéristiques comparées des particules en suspension dans le fluide de Melleray

94 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FI.NAL

Finalement, une série de filtres de qualités et de tailles différentes (Sartorius, Millipore,

Nuclépore) et de porosités différentes (1.2, 3 et 0.4 pm) a été analysée fin 1986 après passage du

fluide géothermal en tête de puits à 36 m3/h (débit artésien). L'essentiel des particules est amorphe

et non détecté en diffractométrie de rayons X. En microscopie électronique, on décèle des croûtes

amorphes de S -I- Fe -f Zn. Contrairement aux résidus précédents, le ZnS représente une phase

majeure détectée aussi bien en microscopie qu'en analyse chimique, avec un rapport Zn/Fe

variable (1 à 5). Les teneurs en Cu.et Pb sont élevées et les argiles sont plus abondantes que dans

les résidus de filtration antérieurs.

Il est relativement difficile de comparer des analyses de résidus de filtration (analyses par

ICP ou fluorescence X, rayons X et microscopie électronique) car les quantités de matières mises

enjeu sont souvent faibles et à la limite de sensibilité des méthodes utilisées. On a pu comparer

trois résidus de filtration pris dans des conditions identiques en trois points de la boucle

géothermale. Dans le tableau 13, les résultats des trois séries de résidus de filtration,

échantillonnés en tête de puits GMYl à des époques et des débits d'exploitation différents peuvent

être confrontés. Les variations essentielles observées au cours du temps consistent en une

augmentation progressive de la phase amorphe, en une disparition du sulfure de cuivre et

en l'apparition du sulfure de zinc comme phase minérale majeure. Bien que sans preuve

pour l'instant de son origine, Zn pourrait provenir soit de la corrosion des raccords de piquage du

fluide en tête de puits, soit du fluide de formation. Quant au sulfure, il existe certainement à l'état

d'infratrace dans le fluide, mais n'a jamais été dosé en raison de la complexité de la méthodologie à

mettre en oeuvre. L'apparition temporaire de ZnS en tant que phase majoritaire amorphe peut

aussi être expliquée par des "bouffées" de fluides chargées en Zn qui se mélangent avec le fluide

d'une autre zone productive contenant des sulfures (la teneur en Zn du fluide mesurée à 7 reprises

en tête de puits entre 1983 et 1986, varie de ^ 0,05 ppm à 0,5 ppm, ce qui montre l'état

éminemment variable du chimisme de certaines substances dissoutes).

Origine

La composition chimique de ces particules révèle différentes origines. Les oxydes et

hydroxydes de fer et les traces de Cr et Ti résultent de la corrosion des tubages ou autres

équipements (pompes, vannes...). Les autres éléments tels que Al, Si, S, Ca et Mg proviennent de

l'environnement géologique et s'observent soit sous forme de particules arrachées à la roche

réservoir et transportées par le fluide, soit sous forme de particules qui se sont formées dans la

boucle géothermale en conséquence des variations de température et de pression inhérentes aux

conditions d'exploitation.

89SGN1413E/IRG 95

RAPPORT FI.NAL

Finalement, une série de filtres de qualités et de tailles différentes (Sartorius, Millipore,

Nuclépore) et de porosités différentes (1.2, 3 et 0.4 pm) a été analysée fin 1986 après passage du

fluide géothermal en tête de puits à 36 m3/h (débit artésien). L'essentiel des particules est amorphe

et non détecté en diffractométrie de rayons X. En microscopie électronique, on décèle des croûtes

amorphes de S -I- Fe -f Zn. Contrairement aux résidus précédents, le ZnS représente une phase

majeure détectée aussi bien en microscopie qu'en analyse chimique, avec un rapport Zn/Fe

variable (1 à 5). Les teneurs en Cu.et Pb sont élevées et les argiles sont plus abondantes que dans

les résidus de filtration antérieurs.

Il est relativement difficile de comparer des analyses de résidus de filtration (analyses par

ICP ou fluorescence X, rayons X et microscopie électronique) car les quantités de matières mises

enjeu sont souvent faibles et à la limite de sensibilité des méthodes utilisées. On a pu comparer

trois résidus de filtration pris dans des conditions identiques en trois points de la boucle

géothermale. Dans le tableau 13, les résultats des trois séries de résidus de filtration,

échantillonnés en tête de puits GMYl à des époques et des débits d'exploitation différents peuvent

être confrontés. Les variations essentielles observées au cours du temps consistent en une

augmentation progressive de la phase amorphe, en une disparition du sulfure de cuivre et

en l'apparition du sulfure de zinc comme phase minérale majeure. Bien que sans preuve

pour l'instant de son origine, Zn pourrait provenir soit de la corrosion des raccords de piquage du

fluide en tête de puits, soit du fluide de formation. Quant au sulfure, il existe certainement à l'état

d'infratrace dans le fluide, mais n'a jamais été dosé en raison de la complexité de la méthodologie à

mettre en oeuvre. L'apparition temporaire de ZnS en tant que phase majoritaire amorphe peut

aussi être expliquée par des "bouffées" de fluides chargées en Zn qui se mélangent avec le fluide

d'une autre zone productive contenant des sulfures (la teneur en Zn du fluide mesurée à 7 reprises

en tête de puits entre 1983 et 1986, varie de ^ 0,05 ppm à 0,5 ppm, ce qui montre l'état

éminemment variable du chimisme de certaines substances dissoutes).

Origine

La composition chimique de ces particules révèle différentes origines. Les oxydes et

hydroxydes de fer et les traces de Cr et Ti résultent de la corrosion des tubages ou autres

équipements (pompes, vannes...). Les autres éléments tels que Al, Si, S, Ca et Mg proviennent de

l'environnement géologique et s'observent soit sous forme de particules arrachées à la roche

réservoir et transportées par le fluide, soit sous forme de particules qui se sont formées dans la

boucle géothermale en conséquence des variations de température et de pression inhérentes aux

conditions d'exploitation.

89SGN1413E/IRG 95

CO.NTRAT TRIAS

5.2.6 - Conclusion

La caractérisation chimique détaillée du fluide de Melleray permet de dégager les

conclusions suivantes quant aux possibilités de traitement du fluide avant réinjection :

- Etant donné la prépondérance des particules extrêmement fines (94 % des particules ont

moins de 1 pm), il est nécessaire d'induire leur agrégation par des coagulants avant de les

filtrer ; cela permettra d'éviter d'avoir recours à des méthodes de filtration de colloïdes,

qui sont sophistiquées, difficiles à mettre en oeuvre et coûteuses. La mise au point de ce

processus d'agrégation des particules nécessite d'avoir recours à des expérimentations

qui vont être décrites au paragraphe 5.4.

- La forte valeur du gas-liquid ratio et l'effet néfaste des bulles de gaz sur la perméabilité

impliquent un dégazage complet du fiuide et une séparation de la phase gazeuse avant la

réinjection.

- La détection de produits de corrosion parmi les particules met en évidence la nécessité

d'utiliser des inhibiteurs de corrosion.

5.3 CARACTÉRISATION CHIMIQUE DU FLUIDE DEVILLEFRANCHE-SUR-CHER

5.3.1 - Composition chimique des phases liquide et gazeuse

Le tableau 14 présente l'analyse chimique du fluide de Villefranche.

- Date : 24/3/88

- Débit : 2,2 m3/h

- Température : 30,4°C

-pH:7,38

-GLR: 5,5 10-3 m3/m3

-TDS:2g/l

96 89SGN1413E/IRG

CO.NTRAT TRIAS

5.2.6 - Conclusion

La caractérisation chimique détaillée du fluide de Melleray permet de dégager les

conclusions suivantes quant aux possibilités de traitement du fluide avant réinjection :

- Etant donné la prépondérance des particules extrêmement fines (94 % des particules ont

moins de 1 pm), il est nécessaire d'induire leur agrégation par des coagulants avant de les

filtrer ; cela permettra d'éviter d'avoir recours à des méthodes de filtration de colloïdes,

qui sont sophistiquées, difficiles à mettre en oeuvre et coûteuses. La mise au point de ce

processus d'agrégation des particules nécessite d'avoir recours à des expérimentations

qui vont être décrites au paragraphe 5.4.

- La forte valeur du gas-liquid ratio et l'effet néfaste des bulles de gaz sur la perméabilité

impliquent un dégazage complet du fiuide et une séparation de la phase gazeuse avant la

réinjection.

- La détection de produits de corrosion parmi les particules met en évidence la nécessité

d'utiliser des inhibiteurs de corrosion.

5.3 CARACTÉRISATION CHIMIQUE DU FLUIDE DEVILLEFRANCHE-SUR-CHER

5.3.1 - Composition chimique des phases liquide et gazeuse

Le tableau 14 présente l'analyse chimique du fluide de Villefranche.

- Date : 24/3/88

- Débit : 2,2 m3/h

- Température : 30,4°C

-pH:7,38

-GLR: 5,5 10-3 m3/m3

-TDS:2g/l

96 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Eléments dissous(mg/I)

Na

K

Ca

Mg

Cl

SO4

HCO3

SÍO2

Fe

Sr

Li

Ba

B

F

NH4

710,0

26,4

13,5

5,0

130,0

800,0

736,0

36,0

3,4

0,5

0,9

0,04

2,0

3,6

0,5

Gaz libres(vol. 9c)

CO2

Ar

O2

N2

He

H2

H2S

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CôHh

0,50

1,2

0

96,9

1.0

0,013

<0,01

0,36

0,0038

0,0022

0,0013

0,0004

< 0,00002

Gaz dissous(mole/1)

CO2

Ar

O2

N2

He

H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CsHh

3,1 10-4

2,5 10-5

< 2,7 10-7

1,1 10-3

5,0 10-6

< 2,6 10-8

7,7 10-6

1,3 10-7

6,0 10-8

1,2 10-8

< 3,6 10-9

< 2,4 10-9

Résultats IMRG (analyse du 29/4/88 : éléments dissous ; analyse du 12/4/88 : gaz)

Tableau 14 - Analyse chimique du fluide de Villefranche-sur-Cher

(Puits VR52)

Température, salinité et GLR sont très bas par rapport au fluide de Melleray. Par contre, la

teneur en fer est également importante (3,4 mg/l à comparer avec 6,1 mg/l à Melleray), les sulfures

dissous sont inexistants et l'azote et le méthane représentent la quasi-totalité des gaz.

Un suivi chimique sur 48 heures a été réalisé et est décrit par Detoc et al., 1988.

5.3.2 - Charge en particules et répartition des tailles

Les expériences de filtration réalisées (cf. Detoc et al., 1988) mettent en évidence une charge

solide totale de 0,5 mg/l. Le fluide de Villefranche est donc très peu chargé par rapport à celui de

Melleray (7,5 mg/l en débit artésien). L'histogramme de distribution des tailles (cf. figure 32)

révèle également une forte prépondérance des colloïdes (plus de 68 % en poids des particules ont

une taille inférieure à 1 pm, comparé à 94 % à Melleray).

89SGN1413E/IRG 97

RAPPORT FINAL

Eléments dissous(mg/I)

Na

K

Ca

Mg

Cl

SO4

HCO3

SÍO2

Fe

Sr

Li

Ba

B

F

NH4

710,0

26,4

13,5

5,0

130,0

800,0

736,0

36,0

3,4

0,5

0,9

0,04

2,0

3,6

0,5

Gaz libres(vol. 9c)

CO2

Ar

O2

N2

He

H2

H2S

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CôHh

0,50

1,2

0

96,9

1.0

0,013

<0,01

0,36

0,0038

0,0022

0,0013

0,0004

< 0,00002

Gaz dissous(mole/1)

CO2

Ar

O2

N2

He

H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

CsHh

3,1 10-4

2,5 10-5

< 2,7 10-7

1,1 10-3

5,0 10-6

< 2,6 10-8

7,7 10-6

1,3 10-7

6,0 10-8

1,2 10-8

< 3,6 10-9

< 2,4 10-9

Résultats IMRG (analyse du 29/4/88 : éléments dissous ; analyse du 12/4/88 : gaz)

Tableau 14 - Analyse chimique du fluide de Villefranche-sur-Cher

(Puits VR52)

Température, salinité et GLR sont très bas par rapport au fluide de Melleray. Par contre, la

teneur en fer est également importante (3,4 mg/l à comparer avec 6,1 mg/l à Melleray), les sulfures

dissous sont inexistants et l'azote et le méthane représentent la quasi-totalité des gaz.

Un suivi chimique sur 48 heures a été réalisé et est décrit par Detoc et al., 1988.

5.3.2 - Charge en particules et répartition des tailles

Les expériences de filtration réalisées (cf. Detoc et al., 1988) mettent en évidence une charge

solide totale de 0,5 mg/l. Le fluide de Villefranche est donc très peu chargé par rapport à celui de

Melleray (7,5 mg/l en débit artésien). L'histogramme de distribution des tailles (cf. figure 32)

révèle également une forte prépondérance des colloïdes (plus de 68 % en poids des particules ont

une taille inférieure à 1 pm, comparé à 94 % à Melleray).

89SGN1413E/IRG 97

CO.N'TRAT TRIAS

Á Pourcentage en poids

40-

30-

20-

10- 21,4% 14,3% 21,4%

IO,7%

32,2%

0.01 0.1 0.2 0.45 0.8 3 Diamètre des poresdu filtre (pm)

Figure 32 - Distribution de la charge solide du fluide de Villefranche/Cher

(Filtration dans le percolateur après le filtre 25 pm)

5.4 - EXPÉRIENCES D'OXYDATION

Un coagulant classiquement utilisé en chimie pour induire l'agrégation de particules est

l'hydroxyde ferrique Fe (0H)3. Etant donné que les fluides du Trias sont riches en fer ferreux, un

traitement du fluide par oxydation a été envisagé afin de produire naturellement des hydroxydes

des ferriques sans avoir à les injecter dans le fluide.

Pour mettre au point cette technique d'oxydation du fluide, une phase d'expérimentation

s'est révélée nécessaire afin de tester plusieurs oxydants et diverses conditions

d'expérimentations. Puis des expériences de percolation sur carottes permettent de tester

l'efficacité de ce traitement, en ayant auparavant filtré le fluide.

Les premières expériences d'oxydation ont été initiées sur le fluide de Melleray. Elles ont

ensuite été développées sur un autre site du Trias, Villefranche sur Cher. Ce fluide est très peu

chargé en particules par rapport à celui de Melleray, mais les colloïdes y sont également

prépondérants.

98 89SGN1413E/IRG

CO.N'TRAT TRIAS

Á Pourcentage en poids

40-

30-

20-

10- 21,4% 14,3% 21,4%

IO,7%

32,2%

0.01 0.1 0.2 0.45 0.8 3 Diamètre des poresdu filtre (pm)

Figure 32 - Distribution de la charge solide du fluide de Villefranche/Cher

(Filtration dans le percolateur après le filtre 25 pm)

5.4 - EXPÉRIENCES D'OXYDATION

Un coagulant classiquement utilisé en chimie pour induire l'agrégation de particules est

l'hydroxyde ferrique Fe (0H)3. Etant donné que les fluides du Trias sont riches en fer ferreux, un

traitement du fluide par oxydation a été envisagé afin de produire naturellement des hydroxydes

des ferriques sans avoir à les injecter dans le fluide.

Pour mettre au point cette technique d'oxydation du fluide, une phase d'expérimentation

s'est révélée nécessaire afin de tester plusieurs oxydants et diverses conditions

d'expérimentations. Puis des expériences de percolation sur carottes permettent de tester

l'efficacité de ce traitement, en ayant auparavant filtré le fluide.

Les premières expériences d'oxydation ont été initiées sur le fluide de Melleray. Elles ont

ensuite été développées sur un autre site du Trias, Villefranche sur Cher. Ce fluide est très peu

chargé en particules par rapport à celui de Melleray, mais les colloïdes y sont également

prépondérants.

98 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

5.4.1 - Essais en cellule fermée

Les prélèvements de fluide géothermal ont été effectués à Melleray dans la centrale, à la

sortie de l'échangeur de chaleur, alors que le puits débitait en artésien ( 36 m3/h). Les expériences

d'oxydation se déroulent alors en cellule fermée de 60 ml.

- Paramètres mesurés en cours d'expérimentation

. pH et Eh en continu, grâce à deux enregistreurs ;

. température à intervalles réguliers ;

. prélèvements réguliers pour analyse du fer dissous en temps quasi réel sur le site ;

. la silice est analysée ultérieurement en laboratoire sur une sélection d'échantillons

filtrés et acidifiés lors du prélèvement.

- Variation des paramètres d'expérimentation

. refroidissement provoqué ou thermostatation du fluide dans le réacteur,

agitation variable du fluide,

. contact avec l'air ambiant ou protection avec une légère surpression d'azote,

. tests de plusieurs oxydants : eau de Javel (NaOCl), air ambiant, air comprimé et eau

saturée en oxygène.

La méthode d'oxydation la plus rapide et efficace se révèle être l'utilisation de l'eau de Javel

NaOCl. La figure 33 rend compte de ces expérimentations et fait une comparaison avec une

oxydation par l'air. Avec NaOCl, une maîtrise réelle de la réaction d'oxydation est possible car la

quantité exacte d'oxydant nécessaire peut être déterminée et évite ainsi le risque d'un excès

d'oxydant en fin de traitement qui pourrait avoir des conséquences très néfastes sur la corrosion

des tubages et des équipements. Le temps de réaction pour une oxydation totale est de 2 mn (pour

1 rapport stoechiométrique 1:1).

89SGN1413E/IRG 99

RAPPORT FINAL

5.4.1 - Essais en cellule fermée

Les prélèvements de fluide géothermal ont été effectués à Melleray dans la centrale, à la

sortie de l'échangeur de chaleur, alors que le puits débitait en artésien ( 36 m3/h). Les expériences

d'oxydation se déroulent alors en cellule fermée de 60 ml.

- Paramètres mesurés en cours d'expérimentation

. pH et Eh en continu, grâce à deux enregistreurs ;

. température à intervalles réguliers ;

. prélèvements réguliers pour analyse du fer dissous en temps quasi réel sur le site ;

. la silice est analysée ultérieurement en laboratoire sur une sélection d'échantillons

filtrés et acidifiés lors du prélèvement.

- Variation des paramètres d'expérimentation

. refroidissement provoqué ou thermostatation du fluide dans le réacteur,

agitation variable du fluide,

. contact avec l'air ambiant ou protection avec une légère surpression d'azote,

. tests de plusieurs oxydants : eau de Javel (NaOCl), air ambiant, air comprimé et eau

saturée en oxygène.

La méthode d'oxydation la plus rapide et efficace se révèle être l'utilisation de l'eau de Javel

NaOCl. La figure 33 rend compte de ces expérimentations et fait une comparaison avec une

oxydation par l'air. Avec NaOCl, une maîtrise réelle de la réaction d'oxydation est possible car la

quantité exacte d'oxydant nécessaire peut être déterminée et évite ainsi le risque d'un excès

d'oxydant en fin de traitement qui pourrait avoir des conséquences très néfastes sur la corrosion

des tubages et des équipements. Le temps de réaction pour une oxydation totale est de 2 mn (pour

1 rapport stoechiométrique 1:1).

89SGN1413E/IRG 99

CONTRAT TRIAS

IRON OXIDATION TESTS

"r I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r

20 40 60 80 IOO 120 140

Time (min)

Oxydation à l'air

A Oxydation avec le volume exact de NaOCl requis pour 10 mgA de fer

T Oxydation avec la moitié du volume exact

Figure 33 - Tests d'oxydation du fer

La réaction d'oxydation s'écrit de la manière suivante :

Fe^^ -t-3H20^Fe(OH)3-l-3H* + e"

C10~ -f-2H* -f 2e":;::Cr + HgO

C10~ -h2Fe^'^ -h 5 H^O ^ 2 Fe (0H)3 -I- Cl" -f 4H^

Les mêmes expériences d'oxydation en cellule fermée de 60 ml réalisées à Villefranche ont

confirmé l'efficacité de NaOCl. Le temps de réaction pour une oxydation totale est de 5 mn pour

1 rapport stoechiométrique 1:1.

5.4.2 - Essais en ligne

La mise en service du pilote de traitement d'eau a permis d'effectuer pour la première fois

des essais en ligne sur le fluide de Villefranche.

100 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

IRON OXIDATION TESTS

"r I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r

20 40 60 80 IOO 120 140

Time (min)

Oxydation à l'air

A Oxydation avec le volume exact de NaOCl requis pour 10 mgA de fer

T Oxydation avec la moitié du volume exact

Figure 33 - Tests d'oxydation du fer

La réaction d'oxydation s'écrit de la manière suivante :

Fe^^ -t-3H20^Fe(OH)3-l-3H* + e"

C10~ -f-2H* -f 2e":;::Cr + HgO

C10~ -h2Fe^'^ -h 5 H^O ^ 2 Fe (0H)3 -I- Cl" -f 4H^

Les mêmes expériences d'oxydation en cellule fermée de 60 ml réalisées à Villefranche ont

confirmé l'efficacité de NaOCl. Le temps de réaction pour une oxydation totale est de 5 mn pour

1 rapport stoechiométrique 1:1.

5.4.2 - Essais en ligne

La mise en service du pilote de traitement d'eau a permis d'effectuer pour la première fois

des essais en ligne sur le fluide de Villefranche.

100 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

Avec un débit de circulation de 100 1/h, un débit de 0,2 1/h de NaOCl à 1° Chlore devrait

théoriquement suffire à oxyder tout le fer présent dans le fluide. Or les expériences réalisées sur

2 jours consécutifs révèlent que le débit minimum nécessaire pour l'oxydation complète du fer est

de 2 1/h de NaOCl à 1° Chlore pour 1 débit de circulation de 100 1/h, soit environ 10 fois supérieur à

celui requis pour un rapport stoechiométrique 1:1. Des filtres plats (filtration frontale) de 0,65 ou

3 pm placés en aval de la pompe doseuse se sont révélés inopérants dans la mesure où ils se sont

colmatés très rapidement (circulation pendant 2mn, puis montée rapide en pression jusqu'à

1 1 bars et déclenchement de la pompe).

Des expériences de percolation sur des carottes de grès de type Béréa Sandstone ont été

réalisées en série après les dernières expériences d'oxydation afin d'apprécier l'efficacité du

traitement. Le fluide oxydé a pu être filtré au niveau du filtre cartouche (filtration en profondeur)

de 1 pm du pilote de percolation. Les résultats de ces expériences sont présentés en tableau 15.

Force est de constater que le fait d'avoir oxydé le fer du fluide de Villefranche ne semble pas

améliorer les conditions de percolation.

N" carotte

Longueur carotte(mm)

Perméabilité k(mD)

Traitement

4

30

80

sans

5

90

200

NaCl(38 g/1)

6

90

90

NaOCl

7

90

80

NaOCl

Tableau 15 - Résultats des essais de percolation sur des carottes de grès detype Béréa Sandstone (Villefranche)

5.4.3 - Conclusion

Ces expériences nous conduisent à tirer 2 sortes de conclusions :

Au niveau des résultats chimiques

NaOCl s'est révélé être l'oxydant le plus rapide et efficace en cellule fermée. Mais les

doses d'oxydant à mettre en oeuvre pour 1 fluide à débit continu sont très élevées. Des

expériences de plus longue durée permettraient certainement d'optimiser cette dose en

tirant partie d'un temps de réaction plus long et d'une chimie du fluide mieux stabilisée.

Le fait d'oxyder le fluide de Villefranche ne semble pas améliorer les conditions de

percolation. Diverses questions se posent alors. Le filtre cartouche de 1 pm a-t-il

89SGN1413E/IRG 101

RAPPORT FINAL

Avec un débit de circulation de 100 1/h, un débit de 0,2 1/h de NaOCl à 1° Chlore devrait

théoriquement suffire à oxyder tout le fer présent dans le fluide. Or les expériences réalisées sur

2 jours consécutifs révèlent que le débit minimum nécessaire pour l'oxydation complète du fer est

de 2 1/h de NaOCl à 1° Chlore pour 1 débit de circulation de 100 1/h, soit environ 10 fois supérieur à

celui requis pour un rapport stoechiométrique 1:1. Des filtres plats (filtration frontale) de 0,65 ou

3 pm placés en aval de la pompe doseuse se sont révélés inopérants dans la mesure où ils se sont

colmatés très rapidement (circulation pendant 2mn, puis montée rapide en pression jusqu'à

1 1 bars et déclenchement de la pompe).

Des expériences de percolation sur des carottes de grès de type Béréa Sandstone ont été

réalisées en série après les dernières expériences d'oxydation afin d'apprécier l'efficacité du

traitement. Le fluide oxydé a pu être filtré au niveau du filtre cartouche (filtration en profondeur)

de 1 pm du pilote de percolation. Les résultats de ces expériences sont présentés en tableau 15.

Force est de constater que le fait d'avoir oxydé le fer du fluide de Villefranche ne semble pas

améliorer les conditions de percolation.

N" carotte

Longueur carotte(mm)

Perméabilité k(mD)

Traitement

4

30

80

sans

5

90

200

NaCl(38 g/1)

6

90

90

NaOCl

7

90

80

NaOCl

Tableau 15 - Résultats des essais de percolation sur des carottes de grès detype Béréa Sandstone (Villefranche)

5.4.3 - Conclusion

Ces expériences nous conduisent à tirer 2 sortes de conclusions :

Au niveau des résultats chimiques

NaOCl s'est révélé être l'oxydant le plus rapide et efficace en cellule fermée. Mais les

doses d'oxydant à mettre en oeuvre pour 1 fluide à débit continu sont très élevées. Des

expériences de plus longue durée permettraient certainement d'optimiser cette dose en

tirant partie d'un temps de réaction plus long et d'une chimie du fluide mieux stabilisée.

Le fait d'oxyder le fluide de Villefranche ne semble pas améliorer les conditions de

percolation. Diverses questions se posent alors. Le filtre cartouche de 1 pm a-t-il

89SGN1413E/IRG 101

CONTRAT TRIAS

Paramètres d'entrée

Conditions initiales

- Composition chimique-pH-Eh- Température- Pression

Conditions finales

- Température- Pression

Profil Température-Pression

Résultats

Phase liquide

- Evolution de la répartitiondes espèces aqueuses

- Evolution du pH- Evolution de la salinité

équivalente- Evolution des degrés de

saturation du fluide vis-à-visdes différents minéraux

et s'il y a Dégazage...

Phase gazeuse

- Point de bulle* ou pression deflash**

- Evolution du Gas-LiquidRatio* ou taux de vapeur**au cours du dégazage

- Evolution du tauxd'incondensables**

- Evolution de la compositionde la phase gazeuse

* terminologie géothermie basse énergie** terminologie géothermie haute énergie

Tableau 16 - Présentation du modèle TPDEGAZ : paramètresd'entrée et résultats fournis

102 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Paramètres d'entrée

Conditions initiales

- Composition chimique-pH-Eh- Température- Pression

Conditions finales

- Température- Pression

Profil Température-Pression

Résultats

Phase liquide

- Evolution de la répartitiondes espèces aqueuses

- Evolution du pH- Evolution de la salinité

équivalente- Evolution des degrés de

saturation du fluide vis-à-visdes différents minéraux

et s'il y a Dégazage...

Phase gazeuse

- Point de bulle* ou pression deflash**

- Evolution du Gas-LiquidRatio* ou taux de vapeur**au cours du dégazage

- Evolution du tauxd'incondensables**

- Evolution de la compositionde la phase gazeuse

* terminologie géothermie basse énergie** terminologie géothermie haute énergie

Tableau 16 - Présentation du modèle TPDEGAZ : paramètresd'entrée et résultats fournis

102 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FLNAL

effectivement retenu les hydroxydes ferriques ? Si non sont- ils trop petits ? Si oui la charge en

particules du fluide avant traitement ne serait- elle pas de toute manière trop faible pour

entraîner un effet de colmatage en quelques heures, d'autant plus que la perméabilité des grès

type Béréa Sandstone est assez forte ? Peut-être faudrait-il alors faire des expériences sur une

échelle de temps beaucoup plus grande pour pouvoir enregistrer une éventuelle tendance au

colmatage.

Au niveau technique

L'installation d'une cuve de décantation dans le pilote au niveau de la pompe doseuse en

NaOCl permettrait,. par l'augmentation du temps de réaction et grâce à un milieu plus

confiné, de créer de meilleures conditions pour l'oxydation du fer et le grossissement des

particules.

La nécessité d'un autre outil s'est fait également sentir au niveau de la filtration après

oxydation. En effet, le système de filtration frontale classique s'est révélé inefficace. C'est

pourquoi l'intégration d'un système de micro-filtration tangentielle dans le pilote

augmenterait les capacités de ce dernier lors de nouvelles expériences de ce type,

puisqu'avec un tel système il est possible de limiter les risques de colmatage.

Si les expériences de traitement de fluide réalisées à Villefranche n'ont pas répondu à toutes

nos espérances, cela est peut-être dû à la nature chimique du fluide qui est fort différente de celle

de Melleray, particulièrement en ce qui concerne la charge solide, et/ou aux difficultés et

problèmes particuliers qui se posent lors d'une étude sur pilote sur un fluide à débit continu. Toute

étude technique montre en effet qu'il est généralement difficile d'extrapoler des résultats obtenus

en réacteur statique à une phase sur pilote. Néanmoins, l'un des intérêts majeurs de ces

expérimentations sur le site de Villefranche aura été de tester le bon fonctionnement du pilote de

traitement d'eau et de faire le point sur les améliorations techniques à y apporter.

89SGN1413E,aRG 103

RAPPORT FLNAL

effectivement retenu les hydroxydes ferriques ? Si non sont- ils trop petits ? Si oui la charge en

particules du fluide avant traitement ne serait- elle pas de toute manière trop faible pour

entraîner un effet de colmatage en quelques heures, d'autant plus que la perméabilité des grès

type Béréa Sandstone est assez forte ? Peut-être faudrait-il alors faire des expériences sur une

échelle de temps beaucoup plus grande pour pouvoir enregistrer une éventuelle tendance au

colmatage.

Au niveau technique

L'installation d'une cuve de décantation dans le pilote au niveau de la pompe doseuse en

NaOCl permettrait,. par l'augmentation du temps de réaction et grâce à un milieu plus

confiné, de créer de meilleures conditions pour l'oxydation du fer et le grossissement des

particules.

La nécessité d'un autre outil s'est fait également sentir au niveau de la filtration après

oxydation. En effet, le système de filtration frontale classique s'est révélé inefficace. C'est

pourquoi l'intégration d'un système de micro-filtration tangentielle dans le pilote

augmenterait les capacités de ce dernier lors de nouvelles expériences de ce type,

puisqu'avec un tel système il est possible de limiter les risques de colmatage.

Si les expériences de traitement de fluide réalisées à Villefranche n'ont pas répondu à toutes

nos espérances, cela est peut-être dû à la nature chimique du fluide qui est fort différente de celle

de Melleray, particulièrement en ce qui concerne la charge solide, et/ou aux difficultés et

problèmes particuliers qui se posent lors d'une étude sur pilote sur un fluide à débit continu. Toute

étude technique montre en effet qu'il est généralement difficile d'extrapoler des résultats obtenus

en réacteur statique à une phase sur pilote. Néanmoins, l'un des intérêts majeurs de ces

expérimentations sur le site de Villefranche aura été de tester le bon fonctionnement du pilote de

traitement d'eau et de faire le point sur les améliorations techniques à y apporter.

89SGN1413E,aRG 103

CONTRAT TRIAS

Tempéraluro (*C)40 50 60 70 eo

Schéma a

30

Température CC)10 50 60 70

Schéma b

Figure 34 - Evolutions de la température et de la pression dans la bouclegéothermale selon 2 schémas d'exploitation

80

Degré de saturation vis-à-vIs de la calcite-04 -0.2 -0 0 0.2 0 40-1 1 1 1

20-

40

o

60-

g 80

Û.I00-

120

140

160-

Schén

Degré de saturation vIs-à-vIs de la calcite-04 -02 -00 02 04

20

40

o $0

0

SO

IOO

eo

lio

KO-"

fn

j@

©

© 1

fo

Schéma b

Figure 35 - Evolutions du degré de saturation vis-à-vis de la calciteselon 2 schémas d'exploitation

0 Production(5) Echongeuc de chaleur(3) Réinjectîon/^ Réchauffement à ia tempéroture

du réservoir

Cp Production(2) Echongeur de choleurW Dégozoge0 Réinjection^ Réchauffement 6 ia tempéroture

du réservoir

Schémo a : Le fluide est dégazé avont l'échongeur Schéma b : Le fluide est dégazé après l'échongeur

104 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

Tempéraluro (*C)40 50 60 70 eo

Schéma a

30

Température CC)10 50 60 70

Schéma b

Figure 34 - Evolutions de la température et de la pression dans la bouclegéothermale selon 2 schémas d'exploitation

80

Degré de saturation vis-à-vIs de la calcite-04 -0.2 -0 0 0.2 0 40-1 1 1 1

20-

40

o

60-

g 80

Û.I00-

120

140

160-

Schén

Degré de saturation vIs-à-vIs de la calcite-04 -02 -00 02 04

20

40

o $0

0

SO

IOO

eo

lio

KO-"

fn

j@

©

© 1

fo

Schéma b

Figure 35 - Evolutions du degré de saturation vis-à-vis de la calciteselon 2 schémas d'exploitation

0 Production(5) Echongeuc de chaleur(3) Réinjectîon/^ Réchauffement à ia tempéroture

du réservoir

Cp Production(2) Echongeur de choleurW Dégozoge0 Réinjection^ Réchauffement 6 ia tempéroture

du réservoir

Schémo a : Le fluide est dégazé avont l'échongeur Schéma b : Le fluide est dégazé après l'échongeur

104 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

5.5 - SIMULATION DE L'ÉVOLUTION CHIMIQUEDU FLUIDE DANS LA BOUCLE GÉOTHERMALEDE MELLERAY

Une des caractéristiques des fluides du Trias est d'avoir un GLR élevé. L'effet néfaste des

bulles de gaz sur la perméabilité du réservoir conduit à recommander un dégazage complet du

fluide, avec séparation de la phase gazeuse, avant la réinjection. Une attention particulière doit

alors être portée aux risques de dépôts dans la boucle géothermale, principalement à cause de

l'augmentation de pH entraînée par le dégazage. Ceux-ci ont été évalués à Melleray à l'aide du

modèle géochimique TPDEGAZ (Czernichowski-Lauriol, 1986 et 1988), en considérant 2 schémas

d'exploitation selon que le fluide est dégazé avant ou après l'échangeur de chaleur.

5.5.1 - Présentation du modèle TPDEGAZ

Les paramètres d'entrée du modèle et les résultats fournis sont présentés en tableau 16.

Les conditions initiales sont ici les conditions de fond, recalculées d'après les mesures de

surface en sommant les analyses des phases liquide et gazeuse compte- tenu de leur rapport

respectif. Le modèle calcule ensuite l'évolution chimique du fluide lors de variations de

température et de pression imposées par les conditions et le schéma d'exploitation.

5.5.2 - Résultats de la modélisation

La figure 34 décrit les évolutions de la température et de la pression dans la boucle

géothermale pour les 2 schémas d'exploitation envisagés (le fluide est dégazé avant ou après

l'échangeur de chaleur).

Les évolutions du degré de saturation Q vis-à-vis de la calcite sont représentés en figure 35.

Rappelons que si log Q est négatif le fluide est sous-saturé et de la calcite peut donc se dissoudre, si

log Q est positif le fluide est sursaturé et il y a donc risque de dépôt de calcite. Les résultats de ces

modélisations montrent qu'il y a effectivement un risque de dépôt dans les équipements de surface

et dans le réservoir suite à la réinjection, risque moindre si le fluide est dégazé après l'échangeur.

Mais étant donné que la valeur maximale atteinte par le degré de saturation est faible,

l'utilisation d'inhibiteurs de croissance cristalline devrait suffire à prévenir tout dépôt de calcite.

89SGN1413E/IRG 105

RAPPORT FINAL

5.5 - SIMULATION DE L'ÉVOLUTION CHIMIQUEDU FLUIDE DANS LA BOUCLE GÉOTHERMALEDE MELLERAY

Une des caractéristiques des fluides du Trias est d'avoir un GLR élevé. L'effet néfaste des

bulles de gaz sur la perméabilité du réservoir conduit à recommander un dégazage complet du

fluide, avec séparation de la phase gazeuse, avant la réinjection. Une attention particulière doit

alors être portée aux risques de dépôts dans la boucle géothermale, principalement à cause de

l'augmentation de pH entraînée par le dégazage. Ceux-ci ont été évalués à Melleray à l'aide du

modèle géochimique TPDEGAZ (Czernichowski-Lauriol, 1986 et 1988), en considérant 2 schémas

d'exploitation selon que le fluide est dégazé avant ou après l'échangeur de chaleur.

5.5.1 - Présentation du modèle TPDEGAZ

Les paramètres d'entrée du modèle et les résultats fournis sont présentés en tableau 16.

Les conditions initiales sont ici les conditions de fond, recalculées d'après les mesures de

surface en sommant les analyses des phases liquide et gazeuse compte- tenu de leur rapport

respectif. Le modèle calcule ensuite l'évolution chimique du fluide lors de variations de

température et de pression imposées par les conditions et le schéma d'exploitation.

5.5.2 - Résultats de la modélisation

La figure 34 décrit les évolutions de la température et de la pression dans la boucle

géothermale pour les 2 schémas d'exploitation envisagés (le fluide est dégazé avant ou après

l'échangeur de chaleur).

Les évolutions du degré de saturation Q vis-à-vis de la calcite sont représentés en figure 35.

Rappelons que si log Q est négatif le fluide est sous-saturé et de la calcite peut donc se dissoudre, si

log Q est positif le fluide est sursaturé et il y a donc risque de dépôt de calcite. Les résultats de ces

modélisations montrent qu'il y a effectivement un risque de dépôt dans les équipements de surface

et dans le réservoir suite à la réinjection, risque moindre si le fluide est dégazé après l'échangeur.

Mais étant donné que la valeur maximale atteinte par le degré de saturation est faible,

l'utilisation d'inhibiteurs de croissance cristalline devrait suffire à prévenir tout dépôt de calcite.

89SGN1413E/IRG 105

CO.VTRAT TRIAS

Des carbonates et hydroxydes de fer sont également susceptibles de précipiter mais le

traitement du fluide par oxydation - déferrisation permettra d'éviter cela. Quant aux minéraux

siliceux tels que le quartz et la calcédoine, leur cinétique de dépôt est si lente qu'aucun risque n'est

à craindre dans les puits ou en surface, pas plus que dans le réservoir car le fluide y retrouve son

état d'équilibre initial vis-à-vis de ces deux minéraux.

Pour une description plus détaillée de ces modélisations, l'on se reportera à l'article de

Vuataz et al. (1988) donné en annexe.

5.6 - CONCLUSIONS

L'étude chimique détaillée du fluide de Melleray, puis de Villefranche, a permis de dégager

les grandes lignes du traitement tant physique que chimique du fluide, requis pour améliorer

l'injectivité dans les formations argilo-gréseuses du Trias.

Le traitement doit comprendre les étapes suivantes :

- Dégazage à pression atmosphérique avec séparation de la phase gazeuse

Il permet d'éviter une des causes importantes des diiTicultés à l'injection : le colmatage du

réservoir par les bulles de gaz. Les risques de dépôt qu'il est susceptible d'entraîner sont minimisés

si cette étape de dégazage a lieu après l'échangeur de chaleur.

- Oxydation

Elle permet d'obtenir l'agrégation des fines particules colloïdales afin de rendre possible

une décantation puis une filtration. L'eau de Javel NaOCl se révèle être un bon oxydant, capable

d'entraîner une oxydation rapide et contrôlée.

.Décantation

Elle élimine les particules les plus denses, facilitant alors l'étape de filtration ultérieure.

Elle peut intervenir soit après l'étape d'oxydation, soit pendant. Dans ce dernier cas, elle favorise

l'oxydation et le grossissement des particules par un temps de réaction plus long et un milieu plus

confiné.

106 89SGN1413E/IRG

CO.VTRAT TRIAS

Des carbonates et hydroxydes de fer sont également susceptibles de précipiter mais le

traitement du fluide par oxydation - déferrisation permettra d'éviter cela. Quant aux minéraux

siliceux tels que le quartz et la calcédoine, leur cinétique de dépôt est si lente qu'aucun risque n'est

à craindre dans les puits ou en surface, pas plus que dans le réservoir car le fluide y retrouve son

état d'équilibre initial vis-à-vis de ces deux minéraux.

Pour une description plus détaillée de ces modélisations, l'on se reportera à l'article de

Vuataz et al. (1988) donné en annexe.

5.6 - CONCLUSIONS

L'étude chimique détaillée du fluide de Melleray, puis de Villefranche, a permis de dégager

les grandes lignes du traitement tant physique que chimique du fluide, requis pour améliorer

l'injectivité dans les formations argilo-gréseuses du Trias.

Le traitement doit comprendre les étapes suivantes :

- Dégazage à pression atmosphérique avec séparation de la phase gazeuse

Il permet d'éviter une des causes importantes des diiTicultés à l'injection : le colmatage du

réservoir par les bulles de gaz. Les risques de dépôt qu'il est susceptible d'entraîner sont minimisés

si cette étape de dégazage a lieu après l'échangeur de chaleur.

- Oxydation

Elle permet d'obtenir l'agrégation des fines particules colloïdales afin de rendre possible

une décantation puis une filtration. L'eau de Javel NaOCl se révèle être un bon oxydant, capable

d'entraîner une oxydation rapide et contrôlée.

.Décantation

Elle élimine les particules les plus denses, facilitant alors l'étape de filtration ultérieure.

Elle peut intervenir soit après l'étape d'oxydation, soit pendant. Dans ce dernier cas, elle favorise

l'oxydation et le grossissement des particules par un temps de réaction plus long et un milieu plus

confiné.

106 89SGN1413E/IRG

RAPPORT FINAL

-Filtration

Elle permet d'éliminer les autres particules. Une filtration tangentielle sur membrane en

céramique paraît plus intéressante qu'une filtration frontale. En effet, cette technique évite les

problèmes habituels de colmatage des filtres et d'arrêt de fonctionnement pour leur lavage. Elle

est de plus extrapolable à partir d'une installation pilote à une échelle industrielle, ce qui n'est pas

le cas des filtrations classiques.

- Injection d'inhibiteurs

Deux types d'inhibiteurs doivent être injectés :

. des inhibiteurs de corrosion, afin d'éliminer les particules qui sont directement induites

par les phénomènes de corrosion,

. des inhibiteurs de croissance cristalline afin de prévenir tout dépôt de carbonates qui

pourrait survenir en conséquence du dégazage.

Un pilote de traitement d'eau a été conçu et testé lors de cette étude. Il sera indispensable

d'utiliser un tel pilote pour tout projet d'exploitation d'un fiuide au Trias afin de tester sur le fiuide

à débit continu l'efllcacité du traitement et d'ajuster les différents paramètres à contrôler.

89SGN1413E/IRG 107

RAPPORT FINAL

-Filtration

Elle permet d'éliminer les autres particules. Une filtration tangentielle sur membrane en

céramique paraît plus intéressante qu'une filtration frontale. En effet, cette technique évite les

problèmes habituels de colmatage des filtres et d'arrêt de fonctionnement pour leur lavage. Elle

est de plus extrapolable à partir d'une installation pilote à une échelle industrielle, ce qui n'est pas

le cas des filtrations classiques.

- Injection d'inhibiteurs

Deux types d'inhibiteurs doivent être injectés :

. des inhibiteurs de corrosion, afin d'éliminer les particules qui sont directement induites

par les phénomènes de corrosion,

. des inhibiteurs de croissance cristalline afin de prévenir tout dépôt de carbonates qui

pourrait survenir en conséquence du dégazage.

Un pilote de traitement d'eau a été conçu et testé lors de cette étude. Il sera indispensable

d'utiliser un tel pilote pour tout projet d'exploitation d'un fiuide au Trias afin de tester sur le fiuide

à débit continu l'efllcacité du traitement et d'ajuster les différents paramètres à contrôler.

89SGN1413E/IRG 107

CONTRAT TRIAS

6 -REFERENCES

BOISDET A., CAUTRU J.P., CZERNICHOWSKI-LAURIOL L, FOUCHER J.C, FOUILLAC C,

HONEGGER J.L., MARTIN J.C. (1989) - Expérimentations en vue de la réinjection de saumures

géothermales dans les grès du Trias profond. Fourth Geothermal Update. Florence - 27-30 April

1989.

CAUTRU J.P., ROBELIN Ch. (1984) - Etude d'un réservoir argilo-gréseux. Cas du Trias du

doublet géothermique de Melleray (Loiret). Rapport BRGM 84 SGN 124 IRG/GEO, 34 p.

CZERNICHOWSKI-LAURIOL I. (1986) - Degassing of geothermal fluids: a geochemical model.

Geothermal Resources Council, TRANSACTIONS, 10, 113-118.

CZERNICHOWSKI-LAURIOL I. (1988) - Modélisation de l'évolution de la chimie des fluides

géothermaux lors de leur exploitation par forages. Thèse de Doctorat de l'Institut National

Polytechnique de Lorraine, Document du BRGM n°159, 196 p.

DETOC S. (1987) - Etude des particules et de l'oxydation du fer dans le fluide géothermal du Trias

à Melleray. Rapport de stage d'ingéniorat ISIM-IMRG.

DETOC S. (1988) - Etudes préliminaires de traitement des fluides géothermaux (cas du Trias et du

Dogger). Rapport de stage de DEA "Sciences de l'eau et aménagement", 50 p.

FOUILLAC C, VUATAZ F.D., BRACH M., CRIAUD A. (1988) - Water rock interactions in a

Triassic sandstone aquifer. Detailed study of a low temperature geothermal system, Melleray,

France. Proceedings of the contractors meeting and workshop on geochemistry, Antwerp,

5 november 1986, report EUR 11362 EN, 51-62.

VUATAZ F.D., CZERNICHOWSKI-LAURIOL I., FOUILLAC C, DETOC S. (1988) - Chemical

study of a low temperature geothermal fluid in a Triassic sandstone aquifer: scaling potential and

fluid treatment (Melleray, France). Workshop on deposition of solids in geothermal systems,

Reykjavik, Island, Aug. 16-19, 1988, 8 p.

108 89SGN1413E/IRG

CONTRAT TRIAS

6 -REFERENCES

BOISDET A., CAUTRU J.P., CZERNICHOWSKI-LAURIOL L, FOUCHER J.C, FOUILLAC C,

HONEGGER J.L., MARTIN J.C. (1989) - Expérimentations en vue de la réinjection de saumures

géothermales dans les grès du Trias profond. Fourth Geothermal Update. Florence - 27-30 April

1989.

CAUTRU J.P., ROBELIN Ch. (1984) - Etude d'un réservoir argilo-gréseux. Cas du Trias du

doublet géothermique de Melleray (Loiret). Rapport BRGM 84 SGN 124 IRG/GEO, 34 p.

CZERNICHOWSKI-LAURIOL I. (1986) - Degassing of geothermal fluids: a geochemical model.

Geothermal Resources Council, TRANSACTIONS, 10, 113-118.

CZERNICHOWSKI-LAURIOL I. (1988) - Modélisation de l'évolution de la chimie des fluides

géothermaux lors de leur exploitation par forages. Thèse de Doctorat de l'Institut National

Polytechnique de Lorraine, Document du BRGM n°159, 196 p.

DETOC S. (1987) - Etude des particules et de l'oxydation du fer dans le fluide géothermal du Trias

à Melleray. Rapport de stage d'ingéniorat ISIM-IMRG.

DETOC S. (1988) - Etudes préliminaires de traitement des fluides géothermaux (cas du Trias et du

Dogger). Rapport de stage de DEA "Sciences de l'eau et aménagement", 50 p.

FOUILLAC C, VUATAZ F.D., BRACH M., CRIAUD A. (1988) - Water rock interactions in a

Triassic sandstone aquifer. Detailed study of a low temperature geothermal system, Melleray,

France. Proceedings of the contractors meeting and workshop on geochemistry, Antwerp,

5 november 1986, report EUR 11362 EN, 51-62.

VUATAZ F.D., CZERNICHOWSKI-LAURIOL I., FOUILLAC C, DETOC S. (1988) - Chemical

study of a low temperature geothermal fluid in a Triassic sandstone aquifer: scaling potential and

fluid treatment (Melleray, France). Workshop on deposition of solids in geothermal systems,

Reykjavik, Island, Aug. 16-19, 1988, 8 p.

108 89SGN1413E/IRG

réalisation

service

reprographiedu BRGM

réalisation

service

reprographiedu BRGM

89 SGN 141 3E/IRG89 SGN 141 3E/IRG