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Changement d'échelle et simulation des flux de chaleur pour amélioer l'efficacité des systèmes géothermiques profonds – UPGEO

Changement d’échelle et simulation des flUx de chaleur Pour améliorer l’efficacité de systèmes GEOthermiques profonds - UPGEO

En France, les réseaux de chaleurs sont en grande partie dépendants des combustibles fossiles (42%), et la part de la géothermie profonde représente moins de 5%. Son déploiement dans les métropoles est limité par un risque géologique difficilement prédictible. UPGEO travaillera à mettre au point un outil numérique prédictif permettant d’effectuer des simulations thermo-hydro-mécaniques et d’évaluer la performance d’un lieu donné en Ile-de-France sur son potentiel géothermique.

Gestion des risques géologiques, prédiction de l'efficacité et de la durabilité des doublets géothermiques en domaine sédimentaire

La géothermie, c’est-à-dire la mobilisation de la chaleur contenue dans le sous-sol à très basse, basse ou haute température, est l’une des méthodes pour réaliser la transition énergétique. La nouvelle programmation pluriannuelle de l’énergie renouvelable vient de revoir à la baisse les objectifs en terme de déploiement de la géothermie profonde en France, notamment en raison des risques géologiques élevés qu’une opération nouvelle n’obtienne pas une ressource géothermique présentant des caractéristiques de débit et de température suffisantes pour assurer la rentabilité du projet pendant sa durée de vie. Ce risque géologique constitue un obstacle au développement futur de la géothermie en France et en Ile-de-France. Ce projet consistera à travailler sur des méthodes innovantes de modélisation en proposant des solutions qui optimisent et explorent le développement de nouvelles zones en domaine sédimentaire. Cette optimisation nécessite (1) une connaissance précise de l’hétérogénéité du réservoir en termes de géométries sédimentaires, porosité/perméabilité, connectivité du réservoir et (2) des simulations numériques fiables des écoulements et flux de chaleur à +30 ans, voire +100 ans après le début de la production. <br /> <br />Le principal objectif du projet est de réussir le changement d’échelle entre la perméabilité mesurée en laboratoire et la connectivité sédimentaire des corps réservoirs à l’échelle kilométrique. La façon d’homogénéiser les coefficients efficaces comme la porosité, la perméabilité, la déformation mécanique (tenseur de Gassman et coefficient de Biot) ou la dispersion thermique effective par des équations valables en tout point pour les constituants fluides et solides constituera le défi majeur de ce projet qui nécessitera de coupler des données et concepts géologiques et mathématiques. Un des challenges sera d’associer deux communautés scientifiques travaillant rarement ensemble en France : géologues et mathématiciens.

L'approche et les méthodes utilisées dans UPGEO seront :
- Utiliser des diagraphies de puits, en particulier la RMN, et des échantillons de carottes ou cuttings au µCT scan pour caractériser les faciès, la microstructure et les propriétés pétrophysiques.
- Utiliser des statistiques pour peupler les faciès et les géométries stratigraphiques des réservoirs carbonatés et silicoclastiques.
- Intégrer des données provenant d'analogues à l'affleurements par acquisition photogrammétrique par drones dans l'optique de réaliser des modèles réservoirs 3D.
- Proposer de nouveaux concepts de connectivité des réservoirs, à partir de modèles géostatistiques, pour accroître la fiabilité des simulations d'écoulement.
- Proposer de nouvelles équations pour le changement d'échelle i.e. équations Thermo-Hydro-Mécanique (THM), incluant les équations quasi-statiques de Biot, pour la simulation d'écoulement dans des sables non fracturés et dans des réservoirs silicoclastiques et carbonatés fracturés.
- Implémenter des codes de simulation intégrant l'upscaling dans des plug-ins spécifiques sur des plateformes telles que Eclipse, PumaFlow, OpenGeoSys ou DuMuX.
- Élaborer des modèles prédictifs pour la simulation de l'écoulement dans les systèmes sédimentaires géothermiques carbonatés et clastiques.
- Proposer une application de la nouvelle méthode à une installation spécifique pour estimer le risque géologique de l'exploration géothermique profonde dans le Bassin de Paris, et ainsi aider à la décision pour une municipalité ou agglomération qui souhaiterait construire un doublet géothermique.
- Fournir un flux de travail novateur pour la simulation applicable à d'autres bassins sédimentaires.

Résultat 1 : Le déploiement de la photogrammétrie sur les affleurements mondialement connus des Grès de Roda (Bassin Sud Pyrénéen ; âge Yprésien soit environ 50 Ma), couplé à une étude de faciès avec un jeu de donnée quasiment unique a permis de détailler les hétérogénéités des facies dans un système deltaïque influencé par les alimentations fluviales et les courants de marées. Le travail sur le terrain et au laboratoire sur l’affleurement numérique a permis de définir les géométries de l’intégralité de ce système complexe avec une résolution rarement atteinte pour un tel objet sédimentaire. Les dimensions des barres sableuses, leur connectivité, leur taux d’amalgame ou leur dynamique de mise en place peuvent ainsi être appréciée d’amont en aval du système réservoir.

Résultat 2 : La caractérisation pétrophysique du milieu géologique a permis de définir en laboratoire la réponse en résonance magnétique nucléaire (RMN) des faciès carbonatés réservoirs, et de bien les différencier par rapport aux faciès carbonatés non réservoirs. Ces résultats vont permettre d’utiliser de manière optimale la sonde RMN déployée lors des opérations de forages, et de définir rapidement les niveaux réservoirs lors de la construction des futurs doublets géothermiques.

Résultat 3: Les hétérogénéités sédimentaires et diagénétiques du réservoir géothermique carbonaté du Jurassique moyen ont été identifiés à différentes échelles : (1) à l’échelle micrométrique avec un microtomographie de rayons X et en lame mince, (2) à l’échelle de la carotte (métrique), (3) à celle du réservoir (centaine de mètres) et (4) à l’échelle régionale (pluri-kilométrique). Les hétérogénéités sont mises à l’échelle dans des mailles les plus fines possibles XYZ de 50 m x 50 m x 3.5 m. Il en résulte une modélisation statique de ces propriétés où les zones les plus favorables forment des lentilles perméables d’une épaisseur d’environ 4 m, d’une longueur de 1600 m et d’une largeur de 1100 m. La prédiction de cette hétérogénéité des propriétés géologiques constitue une avancée importante, pré-requis indispensable pour les futurs implantions de doublets.


Résultat 4 : « Un système couplé pour l'écoulement et les déformations mécaniques dans un milieu poreux ». Nous avons étudié un système poro-mécanique, où les inconnues sont la pression liquide p et la déformation mécanique u. Ce problème a été proposé par Andro Mikelic et Mary Wheeler. Nous prouvons les estimations d'erreurs entre les solutions analytiques et numériques pour une classe de schémas numériques, appelés schémas de discrétisation par gradient.

Les résultats attendus de ce projet contribueront à une meilleure compréhension des systèmes géothermiques profonds dans une grande métropole (Paris). Il nous aidera à affiner nos connaissances sur la simulation de l'écoulement, y compris l'évolution thermique des eaux souterraines. UPGEO permettra d'optimiser la mise en place de nouveaux doublets géothermiques et de développer ainsi l'utilisation du chauffage en réseau, qui ne produit que de faibles quantités de gaz à effet de serre. UPGEO répond aux enjeux de la transition énergétique pour une croissance verte fixés par la loi du 18 août 2015. Les travaux fondamentaux du projet UPGEO devraient permettre de développer de nouvelles méthodologies pour réduire significativement le coût de l'évaluation du potentiel géothermique autour de Paris pour les collectivités publiques (commune, agglomération, métropole du Grand Paris...), quantifier et réduire les risques géologiques. Les simulations réduiront au minimum les conflits potentiels d'utilisation de la ressource en eau (eau potable versus eau chaude ou stockage). L'expertise acquise sur les aquifères gréseux et carbonatés d'Ile-de-France pourra être exportée ailleurs, dans de grandes métropoles où le contexte géologique est celui d'un bassin sédimentaire, en France ou à l'international (Bordeaux, Lille, Lyon, bassin de Genève, Bavière, Amsterdam...).

- Gao, Y., Hilhorst, D., Vu Do H. C., 2021. A Generalized Finite Volume Method for Density Driven Flows in Porous Media. Energies, 14 (19), 6151 doi.org/10.3390/en14196151

- Thomas, H., Brigaud, B., Blaise, T., Saint-Bezar, B., Zordan, E., Zeyen, H., Andrieu, S., Vincent, B., Chirol, H., Portier, E., Mouche, E., 2021. Contribution of drone photogrammetry to 3D outcrop modeling of facies, porosity, and permeability heterogeneities in carbonate reservoirs (Paris Basin, Middle Jurassic). Marine Petroleum Geology, 104772, doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2020.104772

- van Duijn, C.J., Mikelic, A., Wick, T. 2020. Mathematical theory and simulations of thermoporoelasticity. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 366, 113048, doi.org/10.1016/j.cma.2020.113048.

La géothermie, c'est-à-dire la mobilisation de la chaleur contenue dans le sous-sol à très basse, basse ou haute température, est l'une des méthodes pour réaliser la transition énergétique. La stratégie énergie-climat de l’Ile-de-France prévoit d'augmenter assez significativement à l’horizon 2030 la production de chaleur par géothermie profonde (x3,5 par rapport à 2015). Le rythme de développement actuel ne permettra pas d'atteindre cet objectif. Il faudrait atteindre un taux de 6 à 10 fois supérieur. La nouvelle programmation pluriannuelle de l’énergie renouvelable vient de revoir à la baisse ces objectifs en terme de déploiement de la géothermie profonde en France. Les retours d'expérience sur les opérations récentes en France ont soulevé des problèmes techniques et/ou scientifiques pour un fonctionnement efficace et durable des doublets géothermiques, tels que le risque élevé, mais non quantifié, de faible débit d'eau / faible épaisseur du réservoir (métrique), le risque d'interférence entre doublets géothermiques dans les zones urbaines à forte densité d’infrastructures ou le risque de percée thermique précoce. Il existe un réel risque qu'une opération nouvelle n'obtienne pas une ressource géothermique présentant des caractéristiques de débit et de température suffisantes pour assurer la rentabilité du projet pendant sa durée de vie. Ce risque géologique constitue un obstacle au développement futur de la géothermie en France et en Ile-de-France. Il est clairement établi dans la stratégie énergie-climat de travailler à l'innovation en proposant des solutions qui optimisent et explorent le développement de nouvelles zones. Cette optimisation nécessite (1) une connaissance précise de l'hétérogénéité du réservoir en termes de géométries sédimentaires, porosité/perméabilité, connectivité du réservoir et (2) des simulations numériques fiables des écoulements et flux de chaleur à +30 ans, voire +100 ans après le début de la production. Le principal objectif est de réussir le changement d'échelle entre la perméabilité mesurée en laboratoire et la connectivité sédimentaire des corps réservoirs à l'échelle kilométrique. La façon d’homogénéiser les coefficients efficaces comme la porosité, la perméabilité, la déformation mécanique (tenseur de Gassman et coefficient de Biot) ou la dispersion thermique effective par des équations valables en tout point pour les constituants fluides et solides constituera le défi majeur de ce projet qui nécessitera de coupler des données et concepts géologiques et mathématiques.

Coordinateur du projet

Monsieur Benjamin Brigaud (Géosciences Paris-Sud)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LMO Laboratoire de mathématiques d'Orsay
GEOPS Géosciences Paris-Sud
BRGM BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES
IFPEN Direction Géosciences
G&E GEORESSOURCES & ENVIRONNEMENT
GPC-IP GPC INSTRUMENTATION PROCESS / R&D
CS CENTRALESUPELEC
LSCE Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement
ICJ Institut Camille Jordan

Aide de l'ANR 689 390 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2020 - 48 Mois

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