Fig. 1: A. Dahrabou teste l'acquisition de données de géométrie des puits

Le coût des forages constitue une part prépondérante des coûts d’un projet de géothermie profonde. Il y a donc du point de vue économique une forte incitation à optimiser les opérations de forages. Du point de vue technique, un des problèmes rencontrés est la stabilité des puits profonds. En effet, un puits instable va induire des incidents de forage (par exemple train de tiges coincé) induisant des pertes de temps aux conséquences directes sur les coûts. De plus des nouvelles techniques de stimulation du réservoir géothermique perçue comme étant indispensable au développement de la géothermie profonde nécessitent également une stabilité suffisante du puits.

D’un point de vue fondamental, notre connaissance des processus de rupture des puits en roche cristalline est lacunaire et il n’y a pas de consensus quant à la loi de comportement et le critère de rupture à utiliser dans la pratique. Il s’agit donc généralement d’améliorer notre compréhension de la rupture et de développer des solutions pratiques permettant d’estimer les risques de rupture et d’optimiser les trajectoires des puits en conséquences.

Le projet principal supportant cette thématique de recherche et le projet DG-WOW « Deep Geothermal Well Optimisation Workflow » financé par la CTI en collaboration avec la compagnie privé GeoEnergie Suisse AG.

Asmae Dahrabou travaille sur ce projet durant lequel elle sera amenée à faire avancer notre compréhension des phénomènes et à proposer ensuite des solutions applicables dans la pratique. Un aspect important de ce projet est l’estimation des incertitudes et des risques. Cet aspect présente une belle opportunité de collaboration interne avec le Prof. Ph. Brunner qui développe des approches de ce type pour des problématiques différentes. Le projet de Master de J. Azzola sur les ruptures des puits de Rittershofen (FR) amène aussi un éclairage sur cette thématique. En effet, l’acquisition des données de Rittershofen a été répétée ce qui permet également d’évaluer l’évolution de la stabilité des puits sur plusieurs années.

Fig. 2 : M. Kakurina et Ch. Nussbaum inspectent la faille principale du laboratoire de Mont-Terri

La stabilité des failles est une préoccupation centrale pour les projets d’ingénierie à grande profondeur. En effet, la déstabilisation de failles a le potentiel d’engendrer des dommages autant aux infrastructures souterraines que de surface. Cette problématique est commune à plusieurs champs d’application, que ce soit la géothermie profonde, la construction d’infrastructures souterraine pour le stockage des déchets nucléaires, l’extraction de ressources minérales ou d’hydrocarbures ou l’injection de fluides (e.g. CO₂) pour leur séquestration en profondeur. Cette thématique de la stabilité des failles est centrale au projet de recherche menée par Maria Kakurina.

En effet, Maria analyses les données d’une expérience effectuée au laboratoire du Mont-Terri durant laquelle du fluide a été injecté dans une faille grâce à un équipement particulier nommé SIMFIP. Cet équipement permet de mesurer la déformation à haute résolution spatiale et temporelle durant l’injection et ainsi de capturer la réponse de la faille. L’analyse de cette réponse permet de mieux comprendre l’état des contraintes dans le massif et les propriétés hydromécaniques de la faille. Ce projet est mené en collaboration avec Ch. Nussbaum de swisstopo et Y. Guglielmi (Berkeley labs) en Californie. Des séjours en Californie pour travailler sur les données avec Yves Guglielmi fournissent une belle opportunité de développement personnel à M. Kakurina. Pour ce projet, Maria bénéficie aussi d’une bourse du programme IEP Mentorship de la compagnie Itasca qui lui permet d’utiliser des codes de simulation géomécanique et de bénéficier d’une interaction directe avec les développeurs de ce logiciel.

Fig. 3 : N. Scheidt, S. Miller et J. Mosar étudient un plan de faille à Eclépens

Les calcaires du Jura visibles entre autre dans la région Neuchâteloise plonge au sud sous le bassin molassique pour atteindre des profondeurs de plusieurs kilomètres sous le plateau suisse. Ces calcaires sont des aquifères avec une perméabilité de fracture et de dissolution (karst). De grandes structures tectoniques sous la forme de failles décrochantes influencent également les conditions de ces masses rocheuses. Ces formations sont donc des cibles potentielles pour la géothermie, particulièrement à proximité de ces failles où la perméabilité naturelle est probablement mieux développée. La question de l’organisation de la fracturation autour de ces zones de failles, de la répartition de la perméabilité, des conditions mécaniques de ces failles et de leur stabilité se pose si l’on envisage de développer des projets de géothermie sur ces structures.

C’est précisément l’enjeu du projet « Stress State, Fault Criticality and Fluids » développé en collaboration avec J. Mosar de l’Université de Fribourg. Dans le cadre de ce projet, un affleurement exceptionnel de ces structures à la carrière Holcim d’Éclépens est étudié. Les conditions d’affleurement permettent de cartographier la porosité liée à la faille à différentes échelles. C’est l’objectif de N. Scheidt, doctorante inscrite à l’Université de Fribourg. Un travail de master a aussi été réalisé à l’Université de Neuchâtel (J. Siaut) s’attachant particulièrement à étudier la fracturation associée aux failles.

Fig. 4 : Le team au complet mobilisé pour l'éxécution de fracturation hydraulique au laboratoire du Grimsel.

Les EGS (Enhanced Geothermal Systems) sont des projets géothermiques développés sur une technologie de stimulation du réservoir afin d’en augmenter artificiellement la perméabilité. Pour le moment, le succès de ces projets n’a pas été constant et en Suisse le projet de Bâle, basé sur cette technologie, a été arrêté pour cause de secousses sismiques perçues par la population. Le but de ce projet de recherche est de mieux comprendre les mécanismes de stimulation hydraulique afin de proposer des protocoles de développement du réservoir permettant d’assurer l’augmentation de la perméabilité tout en contrôlant le risque sismique.

Pour ce faire, une série d’expériences décamétrique ont été conduites au laboratoire souterrain du Grimsel. L’avantage de travailler en laboratoire souterrain est de pouvoir instrumenter très densément le volume testé afin de mesurer les effets de la stimulation. Différents protocoles de stimulation ont été testé. Un subside du FNS finance les travaux de mon doctorant Nathan Dutler, qui s’est attaché à étudier en particulier un protocole de stimulation appelé fracturation hydraulique. Les données collectées vont permettre de mieux comprendre les mécanismes activés ainsi que de calibrer des simulateurs de stimulation hydraulique. Ce projet est mené en collaboration avec mes collègues du SCCER-SoE et particulièrement avec le DUGlab team.

Cette thématique de recherche est destinée à se prolonger dans le futur avec le développement d’un nouveau site d’expérimentation ou il sera possible d’effectuer des expériences à plus grande échelle et avec des conditions de contraintes in-situ plus proche des conditions effectives pour un projet géothermique profond.

Fig. 5 : L. Marguet prépare l'instrumentation pour un test thermomécanique dans un forage au Grimsel.

Les puits géothermiques profonds sont soumis à de fortes variations de température lors des opérations de forage et d’injection. Par couplage thermoélastique ces variations de température induisent des modifications des contraintes autour du puits pouvant entraîner la rupture soit en tension, soit en compression selon les conditions exactes de température et de contrainte. Ces effets sont peu observés en détails en situation in-situ et vont influencer les performances des puits géothermiques. Cette thématique se prête bien aux études en laboratoire sous-terrain ou il est possible d’instrumenter des volumes rocheux à échelle réelle et d’étudier les réponses du puits aux sollicitations thermiques.

Une demande de subside a été soumise au FNS dans la category AP energy grant en novembre 2014 mais a été rejetée. Un reviewer a commenté ce projet en affirmant que l’idée est excellente mais qu’il manque un test pour établir la faisabilité de l’expérience proposée. J’ai continué à développer ce projet avec pour le moment des ambitions réduites grâce à des moyens obtenus par un projet overhead de la faculté et je poursuis maintenant cette thématique avec un étudiant en Msc. J’espère ainsi récolter assez d’informations pour étayer une future demande de subside pour développer cette thématique de recherche.