Plan de la partie sismicité

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1 Plan de la partie sismicité 1/ Sismicité naturelle et sismicité induite 2/ Observation de la sismicité induite 3/ Sismicité induite lors des stimulations - hydrauliques - chimiques 4/ Sismicité en condition de circulation 5/ Sismicité et EGS 1/ Sismicité naturelle et sismicité induite Le Fossé Rhénan est considéré comme une région active du point de vue sismique. L activité sismique y est qualifiée de faible à modérée et s observe principalement dans la partie méridionale du Fossé. Dans la région de Soultz-sous-Forêts, l activité sismique naturelle est très faible (pour plus d information, voir par exemple le site du Réseau National de Surveillance Sismique : Néanmoins, cette sismicité témoigne de la présence de failles potentiellement actives dans le sous-sol. Les travaux effectués à Soultz-sous-Forêts ont montré que ces failles sont le siège des circulations souterraines du fluide géothermique. Les nombreuses analyses géologiques ont montré que ces failles, constituant le réservoir géothermique, sont généralement scellées par des dépôts hydrothermaux et sont donc peu perméables. Ainsi, un développement de ce réservoir est nécessaire afin d obtenir les performances hydrauliques requises pour son exploitation. Ce travail est réalisé par le biais de stimulations hydrauliques ou chimiques, dont le principe est décrit au ci-dessus. Les stimulations hydrauliques agissent mécaniquement sur les failles en les réactivant, c est-à-dire en les faisant rejouer, tandis que les stimulations chimiques ont pour but de dissoudre les minéraux responsables du colmatage des failles. Ces deux méthodes permettent d augmenter la perméabilité des failles, mais génèrent une activité sismique qui peut être intense et que l on qualifie de sismicité induite, puisque résultant d une intervention humaine. Dans d autres conditions, à savoir pendant des tests de circulation entre puits, une activité sismique beaucoup moins intense a été également observée. 2/ Observation de la sismicité induite L occurrence de sismicité induite étant connue sur d autres sites géothermiques ou pétroliers, des réseaux sismologiques ont été installés sur le site de Soultz-sous-Forêts, afin de surveiller l activité sismique, mais également d enregistrer une base de données dont se servent des scientifiques pour mieux comprendre les interactions entre failles, injections d eau et sismicité. Deux réseaux sont actuellement en place autour du site de production (cf. figure 1 et 2) : - un réseau «fond de puits», représenté par des carrés rouges sur la figure 1. Il est constitué d accéléromètres 4 composantes (figure 3) et de géophones 3 composantes, installés dans d anciens puits pétroliers qui ont été réhabilités et approfondis (figure 4). 4 puits (4550, 4601, 4616 et OPS4) atteignent une profondeur d environ 1500 m, correspondant au toit du massif granitique. Les puits EPS1 (~2220 m) et GPK1 (~3600 m) ont été utilisés

2 occasionnellement en tant que puits d observation sismique. La figure 2 présente une représentation schématique de la géométrie du réseau. plan réseau, schéma 3D, photo accéléro, photo installation sonde Figure 1 : Carte des 2 réseaux sismologiques

3 Figure 2 : Représentation 3D de la trajectoire des puits géothermiques et d observation Figure 3 : un accéléromètre 4 composantes

4 Figure 4 : installation d une sonde sismique dans le puits EPS1 - un réseau de surface, représenté par des triangles bleus sur la figure 1. Il est constitué de 9 stations permanentes, régulièrement réparties autour du site de production. Les appareils installés sont de sismomètres 1 ou 3 composantes. Ce réseau a été installé et est maintenu par l EOST (Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre, Université de Strasbourg, Des stations de surface additionnelles peuvent éventuellement être installées durant les périodes d intense activité hydraulique. Parallèlement, des accéléromètres ont été également installés en surface par l EOST, afin d enregistrer les accélérations au niveau du sol générées par les séismes et d observer et comprendre d éventuelles différences de ressenti en divers endroits autour du site de production. pour en savoir plus sur les séismes et leur mesures : voir documents pédagogiques de l EOST : 3/ Sismicité induite lors des stimulations Les stimulations hydrauliques et, à un degré moindre, chimiques sont les expériences hydrauliques générant l activité sismique la plus intense. Typiquement, pour chaque stimulation hydraulique effectuée dans le cadre du projet, plusieurs milliers de séismes peuvent être induits, sachant que ces tests ne durent généralement pas plus d une semaine. En revanche, l activité sismique induite lors de stimulation chimique est plus faible que pour les stimulations hydrauliques. 3.1) Stimulation hydraulique La stimulation hydraulique consiste à injecter de grands volumes d eau dans le milieu (typiquement plusieurs milliers de m 3 ), à des débits relativement élevés (de l ordre de 50 L/s) de façon à faire augmenter la pression de pore dans le milieu, notamment au niveau des plans de faille. Ces surpressions ont tendance à réactiver le jeu des failles présentes dans le milieu, selon le principe suivant (figure 5):

5 1 2 3 Figure 5 : principe de la stimulation hydraulique Etape 1) Etat initial avant stimulation : - le plan de faille, qui correspond à une surface formée d épontes irrégulières, est plus ou moins colmaté par des dépôts hydrothermaux, - la contrainte normale (flèches noires) agissant perpendiculairement au plan de faille et la contrainte tangentielle ou cisaillante (contenue dans le plan de faille) s équilibrent, la faille ne joue pas Etape 2) Pendant la stimulation hydraulique : - les injections d eau sous pression font augmenter la pression de pore au niveau du plan de faille. Celle-ci a tendance à s opposer à la contrainte normale qui se réduit. De ce fait, la contrainte cisaillante devient prépondérante et génère le glissement de la faille : un séisme se produit. Le glissement de la faille a deux conséquences majeures : les dépôts colmatant sont broyés lors du processus et des chenaux perméables sont créés dans le plan de faille, permettant la circulation de fluide géothermal. Etape 3) Après l arrêt des injections - Les contraintes reviennent progressivement à leur état initial. La faille a tendance à se refermer, mais il a été observé que, généralement, les zones perméables créées lors de la stimulation se conservent même après l arrêt des injections. Ceci serait dû à la présence d aspérités sur les plans de faille. En effet, le mécanisme de cisaillement étant irréversible, les épontes de la faille offrent davantage d espaces après stimulation hydraulique Durant les stimulations hydrauliques, l activité sismique est intense : plusieurs milliers de séismes sont enregistrés en surface et même plusieurs dizaines de milliers sont observés avec le réseau fond de puits qui a une meilleure détectabilité. La sismicité se produit dès le début des injections et semble très sensible aux changements de conditions hydrauliques (figure 6). Après l arrêt des injections, la sismicité diminue fortement, mais une activité rémanente peut être observée plusieurs jours après la fin de la stimulation.

6 Figure 6 : Stimulation du puits GPK2 en 2000 : paramètres hydrauliques (débit et pression d injection) et activité sismique correspondante (ref : Cuenot et al., 2008) La majorité de ces séismes sont des «micro-séismes» (figure 7): ils sont de très faible énergie et cette énergie s atténue lors de la propagation des ondes sismiques dans le sous-sol, si bien qu en surface, les micro-séismes ne sont pas ressentis. Leur magnitude s échelonne d environ -2 (seuil de détection minimal) à 1.8 (seuil au-delà duquel les séismes commencent à se ressentir en surface). images nuages microsismiques Figure 7: «Nuages» microsismiques enregistrés par le réseau fond de puits lors des différentes stimulations hydrauliques effectuées à Soultz-sous-Forêts.

7 Néanmoins, en raison de la présence de failles dont les dimensions sont suffisamment grandes, quelques séismes de plus forte magnitude (> 1.8) peuvent se produire et, sous certaines conditions, être ressentis en surface. Typiquement une dizaine de séismes de magnitude supérieure ou égale à 2 sont observés lors des stimulations (tableau 1). Volume injecté Débit d injection maximal Surpression maximale Sismicité induite Magnitudes GPK2 (2000) ~23400 m3 50 l/s 13 MPa GPK3 (2003) ~34000 m3 50 l/s; 60 & 90 l/s 18 MPa GPK4 (2004) ~9300 m3 45 l/s 17 MPa GPK4 (2005) ~12300 m3 45 l/s 19 MPa ~14000 (localisés) ~22000 (localisés) ~5800 (localisés) ~3000 (localisés) 75 (M 1.8) 1 x x (M 1.8) 1 x x (M 1.8) 1 x (M 1.8) 1 x x 2.3 Tableau 1 : Principaux paramètres hydrauliques et sismiques observés lors des stimulations hydrauliques des puits profonds La répétitivité du phénomène sur un temps court, ainsi que l occurrence de séismes largement ressenti ont provoqué par le passé quelques troubles parmi la population. Cela fut le cas pour la première fois en 2000 (stimulation du puits GPK2), lors de l occurrence d un séisme de magnitude 2.6 qui a été ressenti. Il a donné lieu à de nombreuses études scientifiques et à la création d un groupe d experts indépendant d évaluation du risque sismique lié aux injections. En 2003 (stimulation hydraulique de GPK3) a eu lieu le séisme le plus fort généré à Soultzsous-Forêts, qui a atteint une magnitude de 2.9. Il a été ressenti assez largement autour de Soultz-sous-Forêts et a fait l objet d un grand mécontentement parmi la population et les autorités locales. Les quelques plaintes déposées pour des dommages supposés aux habitations, n ont pas abouti. Par conséquent, en 2004 et 2005, les deux stimulations hydrauliques du puits GPK4 ont été réalisées à des débits d injection plus faibles et un volume d eau moins important a été injecté, réduisant ainsi les effets en terme de sismicité. Néanmoins, quelques séismes ont été encore ressentis. Afin de minimiser les nuisances sismiques, en 2006 et 2007, des techniques de stimulation chimiques, empruntées au monde pétrolier, ont été utilisées. 3.2) Stimulation chimique La stimulation chimique est une technique de stimulation plus douce que la stimulation hydraulique : on ajoute à l eau injectée une petite proportion d agents chimiques qui vont agir sur les différents minéraux colmatant les fractures. L avantage de cette méthode est qu elle nécessite l injection d un plus faible volume d eau, à des débits généralement plus faibles, excepté lors des périodes de «chasse» où l on utilise des débits d injection élevés pour pousser le produit dans la formation. Ces périodes sont cependant très courtes (quelques heures au maximum). En conséquence, les surpressions mesurées sont plus faibles que pour

8 une stimulation hydraulique et l activité microsismique reste modérée, tant du point de vue du nombre de séismes induits que des magnitudes atteintes (Tableau 2). But Volume injecté (eau pure + mixture) Débit d'injection maximal Surpression maximale Sismicité induite Magnitude maximale dissolution calcite, argile, RMA feldspath et mica 4225 m 3 28 L/s ~7 MPa 20 NTA dissolution calcite 5200 m 3 40 L/s ~ 8 MPa 0 - OCA dissolution argile dans environnements chauds 1635 m 3 55 L/s ~13 MPa Tableau 2 : Stimulations chimiques du puits GPK4 (Nami et al., 2008; Portier et al., 2009). 1.9 (non ressenti) 4/ Sismicité induite lors de tests de circulation L activité microsismique a été également surveillée pendant les tests de circulation entre puits : les conditions de ces tests sont en effet très proches de celles de la future exploitation continue du site. Il est très important d observer la réponse du réservoir géothermique dans ces conditions, afin de pouvoir anticiper son comportement à long terme et prendre les mesures nécessaires pour réduire le risque d occurrence de microséismes pendant l exploitation. En 2005, un test de circulation entre les 3 puits (GPK2 et GPK4 : production ; GPK3 : injection) a été conduit en conditions artésiennes (débit global : 15 L/s) pendant 6 mois. Environ 600 microséismes ont été détectés pendant cette période (figure 8), dont 4 ont atteint ou dépassé une magnitude 2, la magnitude maximale enregistrée étant de ou 2 ont été ressentis. Figure 8 : Activité microsismique enregistrée lors du test de circulation de 2005 En , trois tests de circulation ont été réalisés, impliquant deux ou trois puits, la différence majeure étant la présence de pompe de production dans les puits de production. Pour chacun des tests l activité sismique enregistrée est restée modérée tant en nombre qu en niveau de magnitude. Le tableau 3 donne un résumé des principales observations hydrauliques et sismiques effectuées lors de ces tests :

9 GPK2 débit de production GPK3 débit d injection GPK4 débit de production GPK3 pression maximale d injection Juil.-Déc Juil.-Août Nov.-Déc Mars-Oct ~12 L/s ~25 L/s ~17 L/s ~15 L/s puis ~20 L/s ~23 L/s ~12 L/s puis ~27 L/s ~3 L/s - ~12 L/s 4 MPa puis 7 MPa 7.3 MPa 2.8 MPa puis 8.6 MPa ~20 L/s puis ~22 L/s ~20 L/s puis ~11 L/s ~12 L/s puis ~9 L/s Sismicité induite ~600 ~ ~200 Magnitude maximale Tableau 3 : Principales observations hydrauliques et sismiques enregistrées lors des tests de circulation de 2005, 2008 et 2009 (!!!! compléter pour 2009!!!!) Il est rassurant de constater que le niveau d activité microsismique durant les tests de circulation n est en rien comparable à ce qui est observé pendant les stimulations. Dans les conditions les plus proches de l exploitation, c est-à-dire, avec les pompes de production, l activité microsismique est même très faible. Aucun séisme n a été ressenti, les magnitudes étant restées très faibles. 5/ Sismicité et EGS Les problèmes de sismicité induite sont inhérents à la technologie EGS. Tous les sites EGS dans le monde ont dû faire face à l occurrence de microséismes pouvant être ressenti par les populations, avec des conséquences parfois néfastes. Le phénomène de sismicité induite, bien que connu, n est pas encore complètement compris par les scientifiques. Cependant, les observations réalisées ont permis d acquérir des bases de données conséquentes, utilisées par les scientifiques afin de mieux comprendre les interactions entre failles, injection ou circulation d eau et sismicité induite. C est à l heure actuelle le principal thème de recherche lié à la géothermie EGS. Si le phénomène est mieux compris dans le futur, on peut espérer trouver des voies pour réduire l impact microsismique des projets géothermiques et ainsi gagner une meilleure acceptation de ces projets par la population. Références : Cuenot N., Dorbath L., and Dorbath C., (2008). Analysis of the microseismicity induced by fluid injections at the Hot Dry Rock site of Soultz-sous-Forêts (Alsace, France): implications for the characterization of the geothermal reservoir properties, Pure Appl. Geophys., 165, Nami P., Schellschmidt R., Schindler M., Tischner T., (2008). Chemical stimulation operations for reservoir development of the deep crystalline HDR/EGS system at Soultz-sous-

10 Forêts (France), Proceedings, Thirty-Third Workshop on Geothermal Reservoir Engineering Stanford University, Stanford, California, USA, January 28-30, 2008, SGP-TR-185, Portier S., Vuataz F-D., Sanjuan B., Nami P., Gérard A., (2009). Chemical stimulation techniques for geothermal wells: experiments on the three-well EGS system at Soultz-sous- Forêts, Geothermics, 38,

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