Instrumentation innovante pour la caractérisation du transport de soluté et de chaleur en milieu fracturé

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1 Instrumentation innovante pour la caractérisation du transport de soluté et de chaleur en milieu fracturé E. Chatton*, J. de La Bernardie*, O. Bour*, N. Guiheneuf*, T. Labasque*, F. Koch**, T. Leborgne* *Université de Rennes 1 ** BRGM, Rennes

2 Introduction: choix des gaz dissous Pourquoi les gaz dissous? Gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe): o conditions de recharge d un aquifère. o paléo-températures (paléo-climatologie). o temps de résidence. o identifier différents types d eau. Stute et al., 1995 Mesure environnementale Alvarado et al.,

3 Introduction Pourquoi les gaz dissous? Gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe): o conditions de recharge d un aquifère. o paléo-températures (paléo-climatologie). o temps de résidence. o identifier différents types d eau. Mesure environnementale Gaz nobles + autres gaz dissous O 2, N 2, N 2 O, CO 2, CH 4 : o traçeurs conservatifs et réactifs ou produits de réactions. Caractérisation des propriétés de transport et de la réactivité du milieu Eikenberg et al.,

4 Introduction Pourquoi les gaz dissous? Gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe): o conditions de recharge d un aquifère. o paléo-températures (paléo-climatologie). o temps de résidence. o identifier différents types d eau. Mesure environnementale Gaz nobles + autres gaz dissous O 2, N 2, N 2 O, CO 2, CH 4 : o traçeurs conservatifs et réactifs ou produits de réactions. Caractérisation des propriétés de transport et de la réactivité du milieu 4 Avantages d un traçage avec les gaz nobles: o Non toxique o N interagit pas avec le milieu o Pas d effets densitaires o N interfère pas avec les traceurs fluorescent

5 Problème L instrumentation classique o Chromatographie (GC) o Spectrometrie (MS) o Combinaison des deux (GC-MS) Prélèvement et analyse: Chronophage Procedures relativement complexes (purification, extraction et separation). 5

6 Problème L instrumentation classique o Chromatographie (GC) o Spectrometrie (MS) o Combinaison des deux (GC-MS) Prélèvement et analyse: Chronophage Procedures relativement complexes (purification, extraction et separation). Les besoins Une méthode analytique plus simple et plus rapide pour: o Analyser in situ les concentrations en gaz o Effectuer des suivis dynamiques de la réactivité o Réaliser des tests de traçages conservatifs et réactifs avec les gaz dissous 6

7 Objectifs o Mettre au point un outil capable de mesurer en continu et in situ les gaz dissous sur une grande gamme de concentrations. 7

8 Objectifs o Mettre au point un outil capable de mesurer en continu et in situ les gaz dissous sur une grande gamme de concentrations. o Tester cet outil sur le terrain pour: o Caractériser les propriétés de transport du milieu dans le cadre de tests de traçage. o Estimer les surfaces d échanges thermiques. 8

9 9 Membrane Inlet Mass Spectrometer

10 Site expérimental: milieu fracturé Vue à 360 d un test de traçage sur le site de Ploemeur (ORE H+) 10

11 11 Dispositif

12 Résultats Traçages He Comparaison Amino-G et He He et Amino-G similaires pour des temps de transferts courts. 12

13 Interprétation Solutions analytiques (Welty and Gelhar, 1994; Becker and Charbeneau, 2000): Σ = 71,1 % (masse restituée) 1 er chemin a 1 = 0,010 m (ouverture équivalente) α 1 = 0,160 m (dispersivité) 2 e chemin a 2 = 0,750 m (ouverture équivalente) α 2 = 0,019 m (dispersivité) Solutions analytiques multichemins 13

14 Conclusion MIMS: un instrument innovant o Analyse en continu des gaz dissous à concentration sur une large gamme de concentrations (0,03 à 3000 ppb). o Analyse multi-traceurs in situ à haute fréquence (1 gaz/ 1,5 sec) suffisamment précise et juste pour permettre d interpréter des tests de traçage. 14

15 Conclusion MIMS: un instrument innovant o Analyse en continu des gaz dissous à concentration sur une large gamme de concentrations (0,03 à 3000 ppb). o Analyse multi-traceurs in situ à haute fréquence (1 gaz/ 1,5 sec) suffisamment précise et juste pour permettre d interpréter des tests de traçage. Propriétés de Transport o Les paramètres de transport des fractures ont pu être estimés. o Les valeurs obtenues avec le traceur He sont en accord avec ceux produits avec l amino-g. 15

16 Instrumentation innovante pour la caractérisation du transport de soluté et de chaleur en milieu fracturé J. de La Bernardie, E. Chatton, O. Bour, N. Guiheneuf, T. Labasque, T. Leborgne 16

17 Systèmes d échangeur de chaleur Sonde géothermique Enhanced Geothermal System Stand column well Milieux cristallins? Faible perméabilité Diffusion importante 17

18 Transport de chaleur dans les milieux fracturés Transport dans un plan de fracture Dispersion à l échelle du réseau de fractures aperture tracer dispersion flow Neuville et al., 2010 flow 18 Geiger and Emmanuel, 2010

19 Transport de chaleur dans les milieux fracturés Transport dans une réseau de fractures horizontales Transport dans un réseau de fractures verticales 19 Read et al, 2013

20 Objectifs Utiliser un système déjà développé comme échangeur de chaleur vertical Tester les capacités du milieu à stocker et restituer l énergie thermique Comparer le comportement thermique du système de fractures étudié avec celui d autres milieux (milieux poreux, milieux déterministes) 20

21 Verrous scientifiques et techniques Différencier les signaux diffusifs et advectifs Distributed temperature sensing Résolution spatiale = 0.29 m Résolution temporelle = 30 s Résolution en T = 0.03 C 21

22 Verrous scientifiques et techniques Différencier les signaux diffusifs et advectifs Distributed temperature sensing Résolution spatiale = 0.29 m Résolution temporelle = 30 s Résolution en T = 0.03 C Deux configurations thermiques Injection sans pompage Pulse de chaleur avec pompage 22

23 Instrumentation 60 C DTS Bains de calibration Pompes Chaudière Fibre optique Packer Capteur de température? Capteur de température 23

24 Différents tests Dipôle parfait Débit d injection = Débit de pompage Configurations hydrauliques Dipôle convergent Débit d injection < Débit de pompage 24

25 Température d'injection ( C) Différents tests Dipôle parfait Débit d injection = Débit de pompage Configurations hydrauliques Dipôle convergent Débit d injection < Débit de pompage Q=16 l/min Q=125 l/min Configurations thermiques 60 Injection continue 60 Pulse de chaleur Temps (h) Temps (h) 25

26 Profondeur (m) Profondeur (m) Pourquoi utiliser la FO? Signal de l injection de chaleur Profil initial Injection de chaleur Temps (h) Température ( C) Hot water entrance Cold water entrance

27 Profondeur (m) Pourquoi utiliser la FO? Profils de température après une heure d injection Profil initial Injection de chaleur Injection de chaleur + pompage Température ( C) Entrée d eau chaude Entré d eau froide

28 Profondeur (m) Pourquoi utiliser la FO? Profils de température après une heure d injection Profil initial Injection de chaleur Injection de chaleur + pompage Calcul du flux thermique Modèle de la ligne source (Raymond et al, 2010) Température ( C)

29 Profondeur (m) Pourquoi utiliser la FO? Profils de température après une heure d injection Profil initial Injection de chaleur Injection de chaleur + pompage Calcul du flux thermique Modèle de la ligne source (Raymond et al, 2010) z=35m Température ( C) (h)

30 Température ( C) Profondeur (m) Pulse de chaleur Evolution spatiale et temporelle de la température 5 T(C ) , Temps après injection (h) Evolution de la température dans la fracture à 34 m 30 16, Temps (h)

31 Profondeur (m) Dipôles Dipôle parfait (DP) Dipôle convergent (DC) T ( C) Temps (h) Temps (h) 31

32 Température ( C) Profondeur (m) Dipôles Dipôle parfait (DP) Dipôle convergent (DC) T ( C) Temps (h) Temps (h) Evolution de la température à 34 m Temps (h)

33 Température ( C) Profondeur (m) Dipôles Dipôle parfait (DP) Dipôle convergent (DC) T ( C) Temps (h) Temps (h) Evolution de la température à 34 m Temps (h) Bilan d enèrgie DP DC

34 Conclusion Caractériser la variabilité spatiale de la température Evaluer l énergie stockée, restituée et perdue Déterminer les caractéristiques thermiques du milieu Déterminer la relation entre débit et échanges thermiques Caractéristiques hydrauliques Surfaces d échanges 34 Relations Structure - Flux - Stockage

35 Merci pour votre attention

36 Fibre optique 36 Le laser sert de source lumineuse Une partie du signal est réfléchie à une distance donnée de la source La température dépend de l amplitude de ce signal Résolution spatiale = 0.29 m Résolution temporelle = 1s - 60min Résolution en T = 0.03 C