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La compréhension et la prédiction du comportement des systèmes géothermiques à haute énergie se heurte à un doublé défi : il s’agit d’une part de capturer les principaux phénomènes physiques contrôlant la circulation des fluides et les transferts de chaleur, et, d’autre part, d’identifier le rôle des hétérogénéités géologiques dans ces processus. Depuis les travaux de Kohl et al, (2003) d’important progrès ont été réalisés en modélisation des processus couplés. Toutefois, leur application reste souvent limitée à des systèmes à deux dimensions ou de géométrie relativement simple, voir par exemple Scott et al (2015). Il est donc pour l’instant difficile de prédire en le rôle d’hétérogénéités complexes dans le fonctionnement local ou global de systèmes géothermiques.

L’objectif de cette thèse est d’apporter des éléments de réponse à cette problématique en s’appuyant sur des descriptions 3D réalistes des hétérogénéités géologiques (géométrie des unités rocheuses, réseaux de fractures). Il s’agira de générer des maillages non structurés aptes à discrétiser ces hétérogénéités puis d’effectuer des simulations numériques sur ces maillages à l’aide de méthodes hybrides éléments finis / volumes finis.

On s’appuiera pour cela sur des avancées récentes en génération de maillages non structurés réalisées au laboratoire GeoRessources en partenariat avec l’INRIA (Pellerin et al, 2014 ; Botella et al, 2015) et sur le code numérique CSMP++ (Coumou et al 2008 ; Weiss et al. 2014 ; Scott et al, 2015).

Ce travail de thèse visera donc d’une part à développer un outil couplant modèle statique et modèle dynamique du réservoir géothermique. Un aspect important concernera l’intégration de propriétés thermiques et hydrodynamiques pertinentes aux éléments de maillage. Cet outil permettra par exemple de réaliser des tests de sensibilité de la réponse du système géothermal à des changements dans la description du milieu géologique. Plus généralement, il permettra de répondre à des questionnements fondamentaux ou appliqués sur la ressource géothermale.

Références :

Botella, A., Lévy, B., & Caumon, G. (2015). Indirect unstructured hex-dominant mesh generation using tetrahedra recombination. Computational Geosciences. http://doi.org/10.1007/s10596-015-9484-9

Coumou, D., Matthäi, S., Geiger, S., & Driesner, T. (2008). A parallel FE–FV scheme to solve fluid flow in complex geologic media. Computers & Geosciences, 34(12), 1697–1707. http://doi.org/10.1016/j.cageo.2007.11.010

Kohl, T., Andenmatten, N., & Rybach, L. (2003). Geothermal resource mapping—example from northern Switzerland. Geothermics, 32(4-6), 721–732. http://doi.org/10.1016/S0375-6505(03)00066-X

Pellerin, J., Lévy, B., Caumon, G., & Botella, A. (2014). Automatic surface remeshing of 3D structural models at specified resolution: A method based on Voronoi diagrams. Computers & Geosciences, 62(0), 103–116. http://doi.org/10.1016/j.cageo.2013.09.008

Scott, S., Driesner, T., & Weis, P. (2015). Geologic controls on supercritical geothermal resources above magmatic intrusions. Nature Communications, 6, 7837. http://doi.org/10.1038/ncomms8837

Weis, P., Driesner, T., Coumou, D., & Geiger, S. (2014). Hydrothermal, multiphase convection of H 2 O-NaCl fluids from ambient to magmatic temperatures: a new numerical scheme and benchmarks for code comparison. Geofluids, 14(3), 347–371. http://doi.org/10.1111/gfl.12080

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L’objectif est double :

• Adapter un outil de simulation d’écoulement – soluté 2D/3D au milieu double porosité et aux transferts de chaleur. Le code actuel repose sur des méthodes numériques récentes (éléments finis mixtes et discontinus) qui sont parfaitement adaptées (i) à la simulation des milieux de géométrie complexe, très fortement hétérogènes et (ii) au calcul de la propagation de fronts.
• Mettre en Å“uvre une méthode d’inversion du modèle double milieu pour interpréter les essais de puits. Cette méthode se distingue des approches existantes par sa description multi-échelle de l’espace des paramètres. Cette description consiste à initier l’inversion en considérant le milieu comme homogène puis à augmenter progressivement le degré d’hétérogénéité du milieu de manière automatique sur la base d’indicateurs de raffinement de l’espace des paramètres.

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Les objectifs de cette thèse sont :

• Caractérisation des réservoirs géothermiques, des principales structures géologiques et géophysiques sur la zone de Vieux-Habitants en Guadeloupe au travers des méthodes magnétique, électromagnétiques (dont MT, éventuellement TDEM), gravimétrique et sismique, avec le plus de précision possible. Informations à obtenir : paramètres physiques, extension, profondeur et géométrie des réservoirs, création de modèles, cartes, cubes 3D.
• Elaboration d’une méthodologie et des outils informatiques adaptés spécifiquement à l’étude des ressources géothermiques et à l’exploration géothermique pour l’analyse, le traitement et l’interprétation des données provenant des diverses méthodes. L’information apportée par chaque méthode différente pourra être utilisée en complément de l’a priori géologique et sismique et des données de sismique de puits pour l’interprétation des autres méthodes.
• Etude d’une part des données préexistantes et d’autre part de données acquises au cours du projet GEOTREF par des contracteurs externes. Ces dernières auront pour rôle de compléter et préciser les informations apportées par les données déjà disponibles à l’échelle des réservoirs et structures considérés.

Détails sur les méthodes considérées :

• Gravimétrie : levés au sol (contracteur), création de cartes, modélisation 2D et 3D, interprétation (caractérisation structurale). Permet de caractériser en 3D les variations de densité du sous-sol. Peut s’appuyer sur un a priori géométrique (sismique).
• Magnétisme : levés aéromagnétiques et au sol (contracteur), réalisation de cartes, modélisations et inversions 2D et 3D, interprétation (caractérisation structurale). Permet de caractériser les variations d’aimantation du sous-sol en 3D avec une bonne résolution. Peut s’appuyer sur un a priori géométrique (sismique). Les méthodes magnétiques et gravimétriques sont liées dans la mesure où le champ magnétique se comporte comme la dérivée du champ gravimétrique.
• Electromagnétisme : acquisitions diverses (contracteur) pour améliorer la caractérisation des réservoirs par l’étude de la distribution des résistivités dans le sous-sol (2D, 3D). Type de mesures à déterminer en fonction des profondeurs cibles et des types de résistivités en présence. Nécessite en général un a priori géométrique (sismique).
• Participation à la tâche 3.4 : Sismique. Pour l’interprétation sismique, les informations apportées par les autres méthodes géophysiques peuvent être utiles, d’autre part l’information géométrique/géologique produite par la sismique aide à la modélisation et à l’interprétation des méthodes non-sismiques.

Les paramètres géophysiques évalués par chaque méthode sont liés entre eux et dépendent également d’autres paramètres liés (résistivité, densité, vitesses sismiques, porosité, nature des fluides et des roches en présence, aimantation,…). Ainsi les méthodes sont complémentaires et il est avantageux de les analyser conjointement.

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Alors que la géothermie connaît un engouement grandissant, la géothermie de haute enthalpie en est encore à ses balbutiements. La géothermie profonde en France métropolitaine se développe grâce notamment à de nombreux projets de recherche et développement dans le domaine, le site de Soultz-sous-Forêt en étant un démonstrateur avéré. Le terrain de prédilection pour pratiquer la géothermie dans le but de produire de l’électricité en masse reste donc les domaines volcaniques des départements et territoires d’outre-mer.

Ces réservoirs en contexte péri-volcaniques sont exploités depuis plusieurs années par des pays situés idéalement : l’Islande (Bergerat et al., 2013 ; Bodvarsson et al., 1984 ; Violay, 2010) en est un bon exemple, tout comme le Japon (Suryadarma et al., 2010 ; Yahara and Tokita, 2010) ou encore la France et ses Antilles (Bernard, 2010 ; Bouchot et al., 2010 ; Zlotnicki et al., 1998). En Guadeloupe particulièrement, un site est déjà en place dans la baie de Bouillante, et ce depuis les années 60 (UVED, 2010). Malgré de nombreuses études (Bourdon et al., 2011 ; Calcagno et al., 2012), la compréhension d’un tel système reste très limitée. En effet le contexte de dépôt des formations ciblées (principalement des dépôts allant de coulées de laves à du volcano-sédimentaire) (EURAFREP, 1960) présentant une géométrie complexe et une grande variété de propriétés dans un volume restreint rend la tâche ardue.

Les données disponibles pour ces réservoirs sont généralement de nature bien différentes. Elles peuvent aller des données géophysiques à grande échelle (Bangs et al., 2003 ; Christeson et al., 2003 ; Evain et al., 2013 ; Kopp et al., 2011) aux données de puits d’exploration et de production (boues de forage, jeux diagraphiques, etc.) (EURAFREP, 1960). Des données complémentaires peuvent être obtenues par le jeu des analyses géochimiques des eaux de forage, voire des eaux prélevées dans les sources chaudes qui affleurent souvent à l’aplomb des réservoirs (Brombach et al., 2000 ; Mas et al., 2006; Sanjuan et al., 2001). Ces données vont de l’échelle métrique ponctuelle (par le biais des forages) à une échelle plurikilométrique (grâce à la géophysique) et ne peuvent être mises en relation que par le biais d’une étude rigoureuse d’analogues de terrain (Bouchot, 2008). En effet, l’échelle lacunaire entre ces deux sets de données est primordiale pour comprendre le fonctionnement du réservoir et les circulations des fluides qui le parcourent. De telles études ont déjà été réalisées dans les réservoirs de socle (Le Garzic, 2010 ; Place, 2010 ; Le Garzic et al., 2011) mais attendent d’être étoffées dans un contexte périvolcanique.

Un paramètre important pris en compte dans la littérature est l’influence apparente sur les circulations des structures héritées (Bouchot, 2008 ; Calcagno et al., 2012 ; Feuillet et al., 2001 ; Lachassagne et al., 2009). En effet, dans le cas du réservoir de Bouillante, un rôle important est donné aux différentes structures à grande échelle (graben de Marie-Galante et zone de faille de Montserrat-Bouillante). Ces structures héritées sont de véritables couloirs de transfert permettant une direction de circulation privilégiée au sein de réservoir et possédant des propriétés de transfert très variables en fonction de la proximité d’une zone de faille (Bernard, 1999 ; EURAFREP, 1960 ; Guillou-Frottier, 2003).

Ces géométries sont assez bien caractérisées à grande échelle par les nombreuses études passées (Bangs et al., 2003 ; Bouchot et al., 2008 ; Calcagno et al., 2012 ; Lachassagne et al., 2009 ; Lopez et al., 2010), mais le sont néanmoins assez peu à des échelles plus petites comme celles de l’affleurement voire de l’échantillon. Quelques jeux de données de pétrophysique sont disponibles pour des exemples en contexte péri-volcanique (Bernard, 1999 ; Violay, 2010) mais ceux-ci se concentrent sur la diversité d’une formation à l’autre et non pas sur l’anisotropie possible au sein d’un même échantillon. En effet, l’influence de structures héritées dans le fonctionnement d’un réservoir est avéré (Calcagno et al., 2012 ; Guillou-Frottier, 2003 ; Lachassagne et al., 2009) et on peut donc considérer que la proximité d’une faille ou d’une fracture, à toutes les échelles, va avoir une influence sur l’anisotropie des propriétés de la matrice, et donc sur les conditions de transport et de stockage des fluides géothermaux.

L’objectif de la thèse va être d’intégrer l’ensemble de ces données et de se faire le lien entre l’échelle ponctuelle du forage et celle de la géophysique pour parvenir à une compréhension complète du système géothermique. Cela va passer par la création d’un jeu exhaustif de données pétrophysiques de terrain et de laboratoire pour mettre en valeur l’influence de la matrice dans les propriétés de stockage et de transfert du réservoir, l’analyse de la répartition de la fracturation sur le terrain et à grande échelle à l’aide des résultats de la campagne géophysique, pour enfin aboutir à la création d’un modèle d’écoulements en réservoir complet prenant en compte la diversité des paramètres. Enfin, il s’agit d’établir un démonstrateur qui servira par la suite de modèle pour l’implantation de futures centrales géothermiques en contexte équivalent.

Cette thèse s’inscrit au cÅ“ur d’une démarche de développement des Énergies Renouvelables, mettant en relation des organismes publics comme l’ADEME et des entreprises privées comme Teranov, par le biais de la participation active du CNRS dans la R&D du projet. Le but de ce consortium est de mettre en avant les qualités et compétences de chacun au service d’un projet durable : l’expérience de l’ADEME dans la coordination de projets, celle de Teranov dans l’implantation de centrales à haute enthalpie et celle du CNRS dans la gestion de la recherche fondamentale et appliquée. Cette thèse s’articulera autour du projet GEOTREF (GEOThermie haute énergie dans les REservoirs Fracturés) en collaboration avec quatorze autres thèses complémentaires et devra travailler de concert pour que les compétences et résultats des uns servent de base de travail aux autres. De plus, l’étudiant pourra profiter des connaissances importantes de l’équipe Ressources Carbonées en matière de réservoirs dans le domaine des réservoirs pétroliers. Il devra utiliser les outils performants déjà mis en place dans l’expertise pétrolière et les adapter à l’expertise géothermique.

Afin de répondre aux problématiques citées et de permettre l’élaboration d’un modèle solide de fonctionnement d’un tel réservoir géothermique, les travaux s’appuieront sur une étude pluridisciplinaire et pluri-scalaire du système. L’étudiant prendra part à la mise en place de méthodes innovantes d’analyses pétrophysiques, ainsi qu’à l’intégration de données géologiques dans un modèle hydro-thermo-mécanique de réservoir. Ces travaux, basés sur une étude de cas sur le site de Vieux-Habitants aux Antilles et d’analogues de terrain, permettront d’établir un manuel d’installation d’un site d’exploitation et amélioreront les connaissances fondamentales déjà disponibles dans le domaine des réservoirs périvolcaniques, de leur géométrie et de leur fonctionnement. Ce travail s’articulera autour de l’avancement des travaux sur le terrain, en trois phases principales.

La première phase se déroulant en amont des forages se concentrera sur la mise en place de méthodes d’analyse nouvelles en pétrophysique, basées sur les travaux passés de l’équipe (Géraud et al., 2010 ; Perry, 2013 ; Stanek et al., 2010). Elle sera composée d’étude de terrain, d’analyse des orthophotographies disponibles dans la région afin de définir un cadre structural en appui permanent sur la littérature existante dans la région. De plus, elle pourra voir la mise en place d’un pré-modèle géologique à l’aide du logiciel GOCAD qui servira de base à la modélisation hydro-thermo-mécanique.

La seconde phase, réalisée simultanément aux forages, s’adossera aux diverses données de puits : carottes, logs, diagraphies. De plus, cette analyse sera complétée par le jeu de données géophysiques marines et terrestres, ainsi que par les bases posées lors de la première phase. Le but de cette phase est d’intégrer les données de puits au pré-modèle établi, afin de l’ajuster pour permettre l’établissement d’un modèle calé sur les puits. L’intégration des données pétrophysiques récoltées et des données structurales à grande échelle permettra une compréhension de la répartition entre zones de transport et zones de stockage, ainsi que l’influence des circulations dans le potentiel de stockage des formations.

La dernière phase post-forages permettra à l’étudiant de participer à l’élaboration du modèle définitif et de proposer ses connaissances géologiques pour l’interprétation de celui-ci. Ce modèle basé sur une géométrie définie par les structures héritées ainsi que la disposition des diverses formations et prenant en compte les propriétés pétrophysiques de celles-ci aux abords des zones de transfert servira à comprendre pleinement le fonctionnement d’un tel système afin de l’exploiter le plus judicieusement et durablement possible.

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Ce travail de thèse sera une contribution dans le développement de nouvelles méthodes d’analyse et d’interprétation des données pétrophysiques et géophysiques, mieux adaptées à l’étude des structures volcaniques complexes et aux zones géothermales présentant un potentiel géothermique notable, comme dans la région de Vieux Habitants en Guadeloupe.

Le sous-sol est un milieu complexe, hétérogène, résultant, pour sa structure et son fonctionnement, de processus à la fois naturels et anthropiques. Les méthodes classiques d’investigation de la géophysique (sismique, électrique, gravimétrique, …) permettent une description de la structure 3D du sous-sol et un suivi de son évolution, en utilisant des techniques non destructives. Mais l’emploi de la géophysique se fait au prix d’un inconvénient : on ne voit les structures que par l’intermédiaire de leurs propriétés physiques. La nécessité d’étudier les relations entre les propriétés physiques des roches et l’ensemble des paramètres d’état (lithologie, porosité, contenu en fluide, pression, température …) permettant de définir et de prévoir le comportement de ces milieux se déduisent de cette considération générale. La Physique des roches permet donc d’introduire des relations physiques théoriques ou empiriques très utiles pour décrire le comportement des roches du sous-sol et pour écrire les solutions des problèmes directes (prédictions des données mesurées en fonction des paramètres du modèle théorique) utilisées dans la plupart des ‘workflows’ d’inversions sismiques ou autres utilisés en géophysique.

Dans la pratique, l’établissement de ces relations entre paramètres physiques nécessite l’élaboration de bases de données larges et représentatives sur les propriétés physiques des roches à partir de mesures de laboratoire effectuées si possible sous différentes conditions (degré de saturation, type de fluides saturants, pression, température, fréquence d’investigation, échelle de mesure, …). Dans le cas des roches volcaniques constituants les volcans ou les zones géothermales, il existe relativement peu de données de ce type de roche (Zamora et al., 1994 ; Bernard, 1999 ; Bernard et Zamora, 2000 ; Yven, 2001 ; Rabaute et al., 2003 ; Vanorio et al., 2005 ; Bernard et al., 2007 ; Bernard et Zamora, 2012) comparé aux roches sédimentaires qui ont été très largement étudiées dans le cadre de l’exploration pétrolière notamment.

Nous proposons donc, dans le cadre de cette thèse :

1. de mesurer en laboratoire différentes propriétés physiques des échantillons de roche provenant des forages d’exploration prévus dans la région de Vieux Habitants en Guadeloupe dans le cadre du projet GEOTREF et sur une sélection d’échantillons prélevés en surface représentative des roches de la zone d’intérêt. Il s’agira des propriétés sismiques (vitesse et atténuation des ondes P et S à plusieurs fréquences) et électriques (conductivité mesurée à différentes fréquences). On cherchera aussi à étudier les effets : du contenu et de la composition des fluides (saturant la roche), de la température, de la pression et de la fracturation afin de tenir compte des conditions in situ (études bibliographique et théorique + mesures en laboratoire si possible).La porosité, la densité, la perméabilité des échantillons seront également mesurées ; et leur microstructure caractérisée (compositions minéralogie et chimique ; surface spécifique ; géométrie des pores ; altération ; …) (moyens : observation de lames minces ; microscopie MEB et TEM ; DRX ; BET ; porosimétrie ; …) (L5.1.1 à T+33 ; L11.3 à T+36) ;
2. D’étudier les relations pouvant exister entre ces propriétés (densité-lithologie ; vitesse-lithologie ; vitesse-perméabilité ; porosité-perméabilité ; …) afin d’estimer les possibilités d’estimer un paramètre à partir des autres, notamment les paramètres difficilement accessibles sur le terrain tels que la perméabilité ou la porosité. Cette approche est largement utilisée en exploration pétrolière. Ces relations pourront aussi fournir des pistes pour des inversions conjointes de données géophysiques et leur interprétation ;
3. Ces données de laboratoire et les relations les liant seront utilisées pour améliorer l’interprétation des données de puits et permettre une reconnaissance fiable des faciès géologiques et des structures autour des zones de forage. On cherchera à établir une procédure automatique de définition des faciès pétrographiques et/ou structuraux intégrant les données de laboratoire et de puits (L5.2.2 à T+24).
   Les données VSP permettront par la suite d’intégrer une information 3D de profondeur et mieux définir les structures (drainantes et non drainantes) du réservoir (L5.3.2 à T+36) ;
4. A ce stade, on s’interrogera sur les paramètres physiques (vitesse, atténuation, conductivité électrique, perméabilité, densité, porosité …) – ou leur combinaison éventuellement – les plus pertinents pour détecter/discriminer les zones à plus fort potentiel géothermique. Le but ici étant de spécifier les mesures en laboratoire et les types de diagraphies permettant d’améliorer notablement la connaissance du réservoir géothermique (L5.2.2 à T+24). Une étude bibliographique détaillée sur ce sujet sera menée ;
5. Participer à la mise en place des mesures microsismiques sur la zone d’étude à Vieux Habitants en collaboration avec l’équipe d’Armines (L11.5 et L11.6) ;
6. Proposer des méthodes d’analyse des données géophysiques à plus grande échelle (sismique, microsismique, gravimétrique, magnétique, MT, électromagnétique …) intégrant au mieux les informations à plus petite échelle (échantillons, diagraphies, VSP) acquises durant ou avant ce projet (L11.7 à T+42 ; L11.8 à T+48) et permettant, par la suite, de mieux évaluer la ressource géothermique à Vieux Habitants (L11.9 à T+48).On étudiera aussi dans le cadre de cette thèse la possibilité de construire des modèles de réservoirs, à partir d’inversions conjointes de plusieurs jeux de données géophysiques de nature différente, basées sur des corrélations fortes entre les paramètres physiques à plus petite échelle. Cette approche a été utilisée avec succès dans de nombreuses études et récemment dans la tomographie du dôme de la Soufrière (Coutant et al., 2012).

Cette thèse bénéficiera de l’expérience et des moyens disponibles au sein de l’équipe LaRGE (UA) dans la caractérisation des matériaux et plus particulièrement des roches volcaniques (données acquises sur les roches de la Soufrière de Guadeloupe, de la Montagne Pelée et du Vésuve dans le cadre de projets antérieurs). Il aura également accès aux moyens d’analyse du Centre Commun de Caractérisation des Matériaux Antilles Guyane (C3MAG) qui est basé à l’Université des Antilles. Des contacts sont également en cours avec le laboratoire de Physique des Roches de l’université de Stanford afin d’échanger nos expériences dans l’utilisation des données de laboratoire pour une meilleure caractérisation du sous-sol. Des interactions seront également favorisées avec les thèses 2 et 11 afin d’assurer une bonne complémentarité des travaux prévus dans le cadre de ces thèses.