Les réservoirs géothermaux de haute énergie: de l exploration à l exploitation. (l exemple de Bouillante)

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1 EnSciTerre, Cycles de conférences de l OSUC Les réservoirs géothermaux de haute énergie: de l exploration à l exploitation. (l exemple de Bouillante) E. Bourdon

2 Sommaire - Qu est-ce qu un réservoir géothermal - Méthodologie d exploration - Méthode géologiques - Méthodes géochimiques - Méthodes géochimiques - Méthodes géophysiques - Les forages d exploration et d exploitation - Le modèle de réservoir - La construction de la centrale géothermique - Le suivi du réservoir géothermal - Eléments d économie: la renaissance de la géothermie

3 Modèle conceptuel de réservoir géothermal de haute température - Une source de chaleur à faible profondeur (pluton) - Un réservoir et une zone de recharge - Des failles (actives!) pour la circulation des eaux de surface et du fluide géothermal - Un fluide géothermal

4 L exploration géothermique doit répondre àplusieurs questions: Y a-t-il un système géothermal? Quelle est sa nature? Quelle est la géométrie du réservoir? Comment fonctionne-t-il? Quel est son environnement? De ces réponses vont dépendre la manière dont le champ géothermique va être exploité, pour quelle utilisation, avec quelle technique et sa durée de vie (in fine, sa rentabilité économique).

5 Méthodologie d exploration Phase Surface (km2) Activités Durée (année) Reconnaissance >1000 Compilation des données et rapide prospection à l échelle d une région ou d un pays (géologie, hydrogéologie, géochimie, manifestations hydrothermales. Sélection des zones au potentiel important. Pré-faisabilité (exploration) Volcanologie, géologie structurale, hydrogéologie, hydrogéochimie, géophysique (Grav, Mag, EM), forages de gradient. Etude technico-économique préliminaire. Faisabilité Forage d exploration, test de productivité, modélisation du réservoir, tests de corrosion et d entartrage. Etude d impact environnemental. Evaluation des coûts. Conception préliminaire de la centrale. Développement 10 Forages de production et de réinjection, test, Ingénierie de réservoir. Conception détaillée de centrale de production. Equipements et fournitures. Construction de la centrale et mise en service. Exploitation - Maintenance et opération des puits et de la centrale. Suivi du réservoir géothermal /3 20/30 Méthodologie IDB-OLADE

6 Méthodologie d exploration Géologie Méthodes géochimiques Méthodes géophysiques

7 Géologie La prospection géologique de terrain doit apporter le maximum d information à l échelle régionale et locale sur: - les manifestation de surface du réservoir géothermal: solfatares, sols chauds, sources chaudes, etc ; -les formations de surface susceptibles de traduire la présence d un réservoir géothermal, et notamment le volcanisme, mais aussi, en particulier dans les cas de réservoirs non-liés à du magmatisme récent: les formations hydrothermalisées (argiles, sulfures, etc ); - la fracturation (régionale et locale)

8 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe Différentes étapes de prospection depuis les années 70 ont permis de mettre en évidence: -les manifestations à terre dans le bourg de Bouillante; -la fracturation à terre; -puis l existence de la Chaîne Volcanique de Bouillante; -puis plus tard l existence de dizaines de sources chaudes et émanations de gaz dans la baie de Bouillante; -la mise en évidence d une brèche hydrothermale liée à une importante explosion récemment datée à ans. -la fracturation en mer.

9 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe

10 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe (Sanjuan et al. 2004) L altération hydrothermale

11 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe La fracturation (graben)

12 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe Mesures de températures du sol. Sanjuan et al., 2004 d après Goguel 1965

13 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe -Mise en évidence de la chaîne de Bouillante au cours des années 80 (source de chaleur); Modifié d après Gadalia Existence de dizaines de manifestations thermales en mer, au nord de la baie de Bouillante

14 Géologie Le cas de Bouillante, Guadeloupe Le schéma structural actuel de la zone de Bouillante (Bouchot et al, 2010 ) La brèche hydrothermale est datée à ka (Verati et al., 2011)

15 Méthodes géochimiques On distingue les méthodes géochimiques sur les manifestations de surface qui vont nous permettre: de déterminer la température des fluides, leur débit, leur nature et leur origine (eau de mer, météorique, profonde, superficielle ); d évaluer le degré d interaction de ces fluides avec les roches du réservoir; d estimer la température à laquelle ces fluides sont portés en profondeur, grâce aux géothermomètres; Elles doivent permettre notamment de différencier les fuites directes du réservoir géothermal profond des eaux réchauffées superficiellement par conduction. Les mesures des gaz des sols, menés au voisinage des manifestations hydrothermales pour estimer l extension de la zone d intérêt géothermique et repérer en surface les failles susceptibles d être le siège de circulation de fluides d origine profonde.

16 Méthodes géochimiques: origine de la minéralisation White et Hedenquist, 1995 A Bouillante, le système neutre présente un équilibre entre le fluide et une association quartz, albite, adulaire, smectite, zéolite, anhydrite, et calcite.

17 Méthodes géochimiques Sanjuan et al Les gaz des sols (CO 2, CH 4, O 2, He) Les mesures en He mettent en avant une importante zone de fuite au niveau de la centrale et surtout de la bordure nord de la baie de Bouillante (Projet Bouillante 3)

18 Géochimie des fluides Méthodes géochimiques A Bouillante, les analyses mettent en évidence un fluide composé à 60% d eau de mer et 40% d eau météorique

19 Méthodes géochimiques On distingue: Géochimie des fluides -les eaux chloruréssodiques, relativement profondes, typiques des systèmes hydrothermaux neutres; -les eaux bicarbonatées, typiques des eaux superficielles -les eaux sulfatées, typiques des systèmes volcaniques actifs. A noter, Grosse Corde en périphérie de la Soufrière atteste de la présence d un système géothermal profond.

20 Méthodes géochimiques Géochimie des fluides Le diagramme Na-K-Mg (Giggenbach 1988) permet -d estimer le degré d équilibration de l eau géothermale avec la roche encaissante du réservoir; -d estimer sa température en profondeur. -de définir des lignes de mélanges.

21 Les géothermomètres Méthodes géochimiques Il existe enfin toute une panoplie de géothermomètres qui permettent d estimer la température du fluide en profondeur à partir de son analyse chimique (en estimant qu elle est à l équilibre avec son encaissant). Ce sont des géothermomètres chimiques, isotopiques, à gaz. Les plus utilisés sont les géothermomètres à quartz (la solubilité de la silice dans les fluides augmente avec la température). Certains sont utilisables dans des conditions spécifiques (ex: les géothermomètres Na-K et Na-K-Ca ne sont pas fiables en cas de présence d eau de mer)

22 Méthodes géophysiques Les méthodes potentielles (gravimétrie et magnétismes): -Permettent de délimiter les structures et détecter les zones hydrothermalisées (démagnétisée à haute température >Curie); -Elles nécessitent cependant une densité de point suffisante pour une analyse structurale détaillée; -Généralement utilisées à l échelle régionale.

23 Méthodes géophysiques Les méthodes électriques ou électro-magnétiques sont destinées à détecter des anomalies conductrices marquant la présence de fluides géothermaux minéralisés ou de minéraux hydrothermalisés. Ex: une faille où passe du fluide géothermal. Le modèle géo-électrique du champ géothermique (souvent validé dans les systèmes volcaniques à travers le monde) se trouve composé d un niveau superficiel très conducteur, plus froid (couverture argileuse - «caprock») et d un niveau inférieur moins conducteur correspondant au réservoir.

24 Méthodes géophysiques Les méthodes sismiques: -Difficiles et chères à mettre en œuvre à terre; -Peu efficaces dans les domaines volcaniques présentant souvent une géométrie complexe; -Exception quand le système géothermal est en partie marin comme à Bouillante ou dans les grands systèmes volcaniques tabulaires de type caldeira. Thinon et al., 2010

25 Les forages d exploration et d exploitation Au stade de l exploration, 2 types de forages de faible diamètre peuvent être mis en œuvre: -Des forages de gradient (généralement de quelques dizaines à quelques centaines de m de long) qui ont comme principal objectif de confirmer l anomalie thermique locale; -Des forages d exploration (plus long: 1 à 2 km) qui visent le réservoir géothermal proprement dit pour confirmer la ressource -> test de production éventuel.

26 Les forages d exploration et d exploitation Les forages de production, sont plus larges, donc plus chers à mettre en œuvre. Dans certaines zones où la logistique est rendue complexe (insulaire, par ex.), où la probabilité de trouver la ressource est grande, l exploitant peut décider de procéder immédiatement aux forages d exploration. Les techniques de forage actuelles permettent de réaliser des forages sub-verticaux ou inclinés (ces dernières ayant l avantage de pouvoir recouper des zone de failles subverticales dans des contextes extensifs les plus perméables)

27 Les forages d exploration et d exploitation Définition des zones prioritaires pour les forages : -La ressource est potentiellement présente -Accessibles (routes carrossables, pentes faibles); -Non-protégées (L 146-6, Parc National, etc ); -Propriétaire foncier OK BRGM

28 Les forages d exploration et d exploitation Les forages d exploration apportent des informations fondamentales sur: -la structure géologique du réservoir (geological logging); -les zones de perméabilité principale du réservoir (zones de pertes); -la géométrie du réservoir et ses conditions de pression-température; -la température et la nature géochimique du fluide géothermal (échantillonnage direct du réservoir).

29 Les forages d exploration et d exploitation: Bouillante Bo-1, 2, 3 entre 338 et 850 m ( ), seul Bo-2 est productif Bo-4 ( ) jusqu à 2500 m (faible productivité) Bo-5, 6 et 7 ( ) entre m (bonne productivité; faille de Cocagne)

30 Les forages d exploration et d exploitation BO-2: niveau producteur bien perméable dans un niveau de tufs sableux vers 320 m

31 Les forages d exploration et d exploitation Bo-3:niveaux faiblement producteurs vers 300, 380 et 400 m de profondeur Remarquez l inversion de température vers 400 m

32 Les forages d exploration et d exploitation BO-5 :un des puits les plus productifs. Entre 496 et 1045m avec un maxima vers et surtout qui correspondent au passage des failles de Plateau (superficielle) et Cocagne (profonde). La température s équilibre à 250 C vers 600 m) Noter le caprock argileux typique à smectite, qui laissent la place aux interstratifiés I/S à mesure que la température augmente puis finalement à la chlorite.

33 Les forages d exploration et d exploitation Bo-7: aucune zone perméable et productrices. Pourtant la température s équilibre bien à 250 C vers 500 m. Mais il s agit d un puits, non producteur, inutilisable (sauf pour la très importante partie correspondant au suivi du réservoir)

34 Les forages d exploration et d exploitation Taux de succès: - 60% en phase d exploration. - supérieur à 80% en phase d opération

35 Le modèle conceptuel de réservoir Toutes les informations collectées auparavant permettent de produire un modèle conceptuel du réservoir avec ses grande caractéristiques thermiques, géologiques et son extension supposée

36 La construction de la centrale Le type de centrale choisi dépend du type de ressource rencontré en profondeur. La construction de la centrale doit répondre à des impératifs économiques, sociaux et environnementaux (ci-dessous, la centrale de Bouillante dans son environnement urbain et sensible aux catastrophes naturelles).

37 La construction de la centrale Si la ressource peut être utilisée directement (cas des réservoirs diphasiques ou entièrement vapeur), on utilise une unité «flash» dans laquelle la vapeur issue du gisement est directement turbinée. Centrale de Bouillante Centrale classique

38 La construction de la centrale Si le fluide géothermal n est pas assez chaud, ou si sa composition exige qu il soit utilisé sous pression (exemple des fluides très minéralisés qui précipitent rapidement en cas de baisse de température ou de pression), on utilise un cycle binaire.

39 Le suivi du réservoir géothermal Le suivi du réservoir est quotidien. Il s agit d un système naturel à l équilibre qui est perturbé par l exploitation qui en est faite. Or la turbine doit fonctionner dans des conditions nominales pour un rendement optimal. -Suivi température (la baisse de température peut entraîner une baisse de rendement, risque lié à la ré-injection percée thermique); -Suivi géochimique (risque de modification chimique de la ressource précipitation, corrosion); -Suivi pression (risque de vaporisation du toit du réservoir); -Suivi déformation (sismique, déformation de surface).

40 Exemple: suivi par interférométrie radar des déplacements du sol entre 2003 et 2010 aux alentours de Bouillante et en Guadeloupe (mouvement non-linéaire de 3 à 6 mm par an, juxtaposition de plusieurs phénomènes locaux et régionaux). Le suivi du réservoir géothermal

41 Eléments d économie: pourquoi la géothermie renaît-elle? Dominique Bouillante 1&2 Martinique

42 Eléments d économie: pourquoi la géothermie renaît-elle?

43 Eléments d économie: pourquoi la géothermie renaît-elle? -Une énergie de base de plus en plus compétitive et renouvelable. -Disponibilité>90% (contrairement àl éolien et au solaire)

44 Eléments d économie: pourquoi la géothermie renaît-elle? -Une énergie propre

45 Eléments d économie: pourquoi la géothermie renaît-elle?

46 Merci pour votre attention