Le risque microsismique lié à la stimulation des puits géothermiques profonds

06.05.2015
Comprendre les différents phénomènes physiques impliqués dans la stimulation hydraulique des puits géothermiques profonds par la mise en œuvre des techniques EGS ("Enhanced / Engeneered Geothermal System") est un axe majeur de recherche pour le BRGM. Le projet GEISER, achevé en 2013, a étudié spécifiquement le risque d’activité microsismique induit.

Pour généraliser l’exploitation de la géothermie profonde non conventionnelle (entre 4 000 et 6 000 m) en France et en Europe, et permettre à cette source d’énergie d’intégrer le futur mix énergétique, la stimulation des puits géothermiques est indispensable. Mais les techniques EGS utilisées doivent être parfaitement maîtrisées  afin  de  limiter au  maximum tout risque environnemental, en particulier la sismicité induite.

Le BRGM, qui peut notamment s’appuyer sur  le pilote scientifique de Soultz-sous- Forêts (Bas-Rhin),  a conduit plusieurs types de recherches en ces sens,  développant des  modèles conceptuels et outils numériques dédiés au  comportement thermo-hydro-mécanique de l’échangeur géothermique.

"Geothermal Engineering  Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoir" (GEISER) est  l’un  de  ceux-ci. Projet de l’Union européenne (7e PCRD), il regroupait treize partenaires sous coordination de GFZ (Allemagne), avec  pour objectif d’optimiser  le développement d’un échangeur géothermique souterrain de type EGS en limitant le risque d’activité microsismique.

Déplacement en cisaillement (m) et localisation des points ayant atteint la rupture.
 

Un objectif d'augmentation irréversible de l'injectivité des puits

"La stimulation hydraulique des  puits en contexte de géothermie profonde non conventionnelle en  France  et en  Europe est indispensable, explique Xavier Rachez, pour que  les échangeurs souterrains présentent des performances techniquement et économiquement intéressantes pour la production d’électricité d’origine géothermique. La perméabilité naturelle des milieux n’est, en effet, pas suffisante. La stimulation hydraulique consiste donc à injecter, au moyen de puits qui recoupent le réseau naturel de failles et de fractures de la roche  chaude, un  fluide sous  pression, afin, par effet mécanique, d’augmenter la perméabilité locale, et donc à terme d’améliorer l’injectivité des puits et les échanges thermiques au sein du réservoir".

Une expérience de géothermie stimulée, menée à Bâle en  2006, ayant engendré plusieurs petits séismes de  magnitude 3,2 à 3,4 sur  l’échelle  de Richter a alerté la communauté scientifique sur  les risques liés à cette stimulation, conduisant l’Europe à mettre un accent particulier sur l’étude de ce phénomène.

Une compréhension plus fine des phénomènes induits par la stimulation

La mission principale du BRGM au sein de GEISER portait sur l’étude des phénomènes physiques expliquant la microsismicité induite, et  sur  l’évaluation  des  risques associés. L’intégralité de la chaîne scientifique  de l’établissement – seul à posséder l’ensemble des  compétences requises aux sept niveaux du projet – a été  sollicitée :  analyses géologiques,  analyses de  données géophysiques (notamment issues de l’exploitation de Soultz),  simulations 3D hydromécaniques couplées d’essais de stimulations hydrauliques de puits, évaluation du risque sismique… "Nous nous sommes appuyés sur le modèle 3D de Soultz-sous-Forêts, en lui apportant plusieurs améliorations, dont une loi de comportement plus sophistiquée permet- tant d’étudier la sismicité induite. Nous avons également développé des outils pour mesurer l’effet de l’injection d’un fluide sur une zone de failles, sous diverses conditions de milieu, de pression…"

Le site de Soultz-sous-Forêts est le seul pilote scientifique au monde qui produit de l'électricité sur la base de la technologie EGS (Enhanced Geothermal System) (Bas-Rhin, 2005).

Ces travaux ont permis de comprendre et d’évaluer beaucoup plus finement les phénomènes liés à la stimulation hydraulique, tant en  termes d’augmentation irréversible de perméabilité des failles que de sismicité, grâce à une meilleure compréhension des processus hydromécaniques prenant place  lors de la stimulation d’un massif fracturé et des comportements de zones de failles (influence de leur structure interne, importance de l’effet  réseau 3D d’un massif fracturé, étude de la propagation de la rupture d’une faille  soumise à une injection forcée).

Le BRGM a, en outre, géré  la dissémination de l’ensemble des résultats de GEISER (fourniture à l’Europe des livrables partenariaux, site www.geiser-fp7.fr, mise en ligne des articles scientifiques, newsletter).

PARTENAIRES

GFZ (coordinateur), BRGM, ARMINES, EOS (France) ; ISOR (Islande) ; TNO, KNMI (Pays-Bas) ; ETHZ, GEOWATT (Suisse) ; STATOIL, NORSAR (Norvège) ; AMRA, INGV (Italie).