Brevet FR2479320A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne un procédé pour améliorer la perméabilité des roches, adapté à la production d'énergie calorifique par géothermie haute énergie, c'est-à-dire dans laquelle la température du fluide caloporteur atteint ou dépasse 200 C. On peut distinguer deux modes de production d'énergie calori- fique par géothermie haute énergie. Dans le premier mode on utilise la production naturelle de fluide chaud, ce qui limite l'application de ce procédé à quelques sites privilégiés. Dans le second mode, dit de géothermie sèche, on récupère la chaleur sensible de roches profondes dont la température est élevée, mais qui ne sont pas naturellement productrices de fluide en quantité industriellement intéressante. La récupération de chaleur peut alors s'effectuer par injec- tion de fluide froid dans un puits, cheminement de ce fluide à travers la roche chaude, remontée et production par un autre puits du fluide qui s'est échauffé au contact de la roche. Cependant ce mode de récupération d'énergie est tributaire de la perméabilité des roches à travers lesquelles on fait circuler le fluide caloporteur et malheureusement la perméabilité des roches est faible aux grandes profondeurs. Cette perméabilité peut être améliorée par élargissement de fractures existant naturellement dans les roches, ou crééeSdans celles- ci et par augmentation de la perméabilité de la matrice de la roche, cette augmentation de perméabilité résultant d'une pénétration du fluide de fracturation dans des micro-fissures des parois d'une fracture. L'invention fournit un procédé perfectionné permettant d'attcindre à la foi7s les deux objectifs suivants: 1. amélioration de la productivité et de l'injectivité du fluide caloporteur, par augmentation de la perméabilité aux abords du puits d'injection; 2. augmentation de la conductibilité des fractures par augmentation de]a perméabilité globale des fractures et de leur largeur. On rappelle que la conductivité d'une fracture est une grandeur s'exprimant par le produit de la perméabilité (généralement mesurée en Darcy) et de la largeur de cette fracture (généralement mesurée en m). Q0 On définit la productivité d'un puits par le rapport p - P o Q est le débit volumétrique de fluide en m3/j au stockage (conditions normales de température et de pression). P est la pression "statique", s c'est-à-dire la pression, en bars, du gisement à la limite de drainage du puits fermé. Pd est la pression au fond du puits pendant que celui- ci débite Qo. On définit d'autre part l'injectivité par le rapport Q. o Q d puisque dans ce cas Pd > Ps. Brièvement, le procédé selon l'invention qui est mis en oeuvre dans une zone de roche chaude comprend les trois étapes successives suivantes: 1. Traitement chimique de lixiviation de la roche par injection d'une solution hydroalcoolique de soude ou de potasse. 2. Injection d'une solution saline, et 3. Etablissement d'une circulation de fluide caloporteur à travers la roche. L'invention est illustrée par les figures annexées o: - la figure 1 illustre schématiquement un procédé de production d'énergie géothermique mettant en oeuvre la présente invention; - la figure 2 montre la variation de la perméabilité de fracture d'un échantillon de roche, en fonction de la quantité de solu- tion hydroalcoolîque de soude injectée, - la figure 3 montre l'évolution de la masse de silice dissoute en fonction de la quantitlé de solution hydroalcoolique de soude injectée au cours du même essai, - la figure 4 montre, pour une autre solution hydroalcoolique de soude, la variation de perméabilité de fracture d'un échantil- lon de roche en fonction de la quantité de solution injectée, -3 - - la figure 5 représente la variation de la perméabilité d'un échan- tillon de roche dans lequel on injecte successivement une solution de soude hydroalcoolique, puis de l'eau, - la figure 6 montre l'évolution du pH de deux fluides s'écoulant d'un échantillon de roche qui a été préalablement soumis à une lixiviation, - la figure 7 représente la variation de la perméabilité d'un échan- tillon de roche dans lequel on injecte successivement une solution de soude, une solution saline, puis de l'eau. -10 On se reportera tout d'abord à la figure 1 montrant une frac- ture I établie dans une roche chaude cristalline 2, située à grande profondeur. Cette fracture est, par exemple, produitepar fracturation hydraulique, en injectant par le puits 3 de l'eau sous pression, ou tiS bien au moyen d'un fluide lixiviant constitué d'une solution hydroal- coolique de soude ou de potasse. On effectue alors les étapes successives suivantes 1. Traitement chimique (lixiviation) de la fracture Si la fracture a été réalisée-par traitement au moyen du fluide lixiviant ci-dessus défini, on laisse celui-ci sous pression à l'inté- rieur de la fracture ou bien, avantageusement, on établit une circulation de cette solution hydroalcoolique de soude entre le puits 3 et un autre puits 4 recoupant la fracture 1. Si la fracture I a été réalisée par injection d'eau sous pres- -25 sion.le traitement chimique de lixiviation de la roche est effectué après la fracturation hydraulique en remplaçant l'eau par une solution hydroalcoolique de soude ou de potasse. Ceci pourra avantageusement etre réalisé en créant une circu- lation liquide entre les puits 3 et 4. - 4- 2. Injection d'une solution saline Lorsque l'étape précédente a été effectuée, on réalise selon l'invention une étape de stabilisation chimique de la roche en rempla- çant la solution alcoolique de soude ou de potasse de l'étape précé- dente par une solution saline aqueuse, telle qu'une solution de chlo- rure de sodium ou de potassium renfermant entre 2 et 30 g de chlorure de sodium par litrepar exemple 10 g/litre de chlorure de sodium. Cette étape de stabilisation a pour effet de figer la perméa- bilité de la formation en arrêtant la dissolution des produits de réaction issus de l'étape précédente de lixiviation. Dans ces conditions, l'injection d'eau utilisée comme fluide caloporteur, au cours de l'étape suivante, n'enlèvera plus de matière à la roche et la perméabilité acquise n'aura plus tendance à évoluer. Les produits chimiques utilisés successivement dans les étapes 1 et 2 cidessus peuvent être injectés dans le puits 3 à partir d'un camion de traitement 5, par l'intermédiaire d'une conduite 6.- 3. Etablissement de la circulation du fluide caloporteur Lorsque les deux étapes précédentes sont terminées on met en circulation de l'eau entre le puits 3 (puits d'injection) et le puits 4 (puits de production) suivant une boucle, de manière connue en soi, l'eau injectée par le puits 3 s'échauffant au contact de la formation géologique 2. Les calories contenues dans l'eau ou la vapeur remontant par le puits 4 sont recueillies dans une centrale électrique 7, pouvant être de tout type approprié, puis l'eau est réinjectée dans le puits 3, ce qui constitue une boucle d'exploitation géothermique. Les étapes 1 et 2 indiquées ci-dessus sont étudiées plus en détail dans ce qui suit. - 5 - I. TRAITEMENT CHIMIQUE DE LIXIVIATION DE LA ROCHE On fait agir sur les formations géologiques une solution de soude ou de potasse pendant un intervalle de temps limité. Une forte augmentation de la perméabilité peut être obtenue en employant une solution hydroalcoolique de soude ou de potasse. Des résultats remarquables sont obtenus en utilisant une solution hydroalcoolique de soude dont la concentration est comprise entre I % et 30 % en poids, et plus particulièrement 10 % en poids, notamment dans le cas des granodiorites. L'alcool utilisé sera par exemple de l'éthanol à une concen- tration en volume de 5 et 50 % dans la solution, cette concentration volumétrique" étant avantageusement de l'ordre de 20 % pour les grano- diorites. D'autres alcools pourront être utilisés, par exemple le méthanol, l'isopropanol, etc... Le temps de contact de la solution avec la formation traitée sera choisi suffisant pour améliorer la perméabilité sans risque de destruction de la roche, ce qui peut être apprécié en mesurant en continu, depuis la surface du sol, la chute de pression de la solution injectée dans la formation. Les essais comparatifs suivants montrent l'efficacité de la lixiviation réalisée: Première série d'essais: attaque de roches par des solutions sodiques en cellules, sans circulation. L'attaque a été réalisée sur un volume cylindrique de 2 cm3 de roche placé dans 200 cm3 de solution réactive. :: qui sera fonction de la concentration de la solution de soude.. -6- Le mode opératoire a comporté la séquence suivante - mesure de la perméabilité à l'eau de l'échantillon au début de l'essai - pesée de l'échantillon saturé d'eau - essai chimique à 100' et sous 100 bars, c'est-à-dire dans les condi- tions moyennes d'un gisement; durée 1 à 6 jours; - refroidissement lent; rinçage à l'eau distillée - mesure de,la perméabilité à l'eau à la fin de l'essai - pesée de la roche saturée d'eau. - Les résultats de cette première série d'essais sont consignés dans le tableau 1. TABLEAU I Roches à l'état naturel; température des essais 100 C; pression: 100 bars; durée des essais: 144 heures. ,., NATURE DES ROCHES GRANODIORITE DE GNEISS DE PLANES GRANITE DE QUARTZITE DE TIGNES PORS-PODER PEN AR CREACH Teneur en silice du matériau 25 % 32 % 40 % 82 % ,, , ,... ,__ Perméabilité initiale -6 6 (DARCY) 10 10 3 x 10-7 4 x10-5 Soluté = NaOH 10 % en poids - Solvant: eau Perméabilité après -3 -4 3 Décohésion totale essai 5 x 10 1,4 x 10 5 x 10 du matériau Porte de Poids 4 % 5 % '17 % Non mesurable Soluté NaOH 10 % en poids - Solvant: eau 50 % + Éthanol 50. % en volume m,,..,,, , ,. _... Perméabilité après D6coh6sion du D6coh6sion du Décohésion totale essai matériau 1,7 x 10 matériau du matériau Perte de Poids 10.% 6, 26% Non mesurable Perte de Poids.10 % 6 % 26 No mesurable -J- 8 - Le Tableau I montre l'accroissement de perméabilité des roches pouvant être obtenu par l'utilisation d'une solution de soude, mais également l'augmentation spectaculaire de la perméabilité obtenue en utilisant une solution hydroalcoolIque de soude au lieu d'une solution aqueuse de soude ne contenant pas d'alcool. Deuxième série d'essais: essais de lixiviation (circulation continue) Une seconde série d'essais a été réalisée en faisant circuler en continu à un débit de 100 cm3/heure des solutions hydroalcooliques de soude à travers une éprouvette cylindrique de granodiorite de Pors- Poder (diamèntre de l'éprouvette 25 mm, longueur 43 mm) comportant une fracture axiale et placée dans des conditions de gisement géothermique (température 200 C, pression de confinement 170 bars). On a utilisé successivement une solution à 2 % de NaOH et 20 % en volume d'éthanol (Solution 1) et une solution à]0 Z de NaOH et 20 % d'éthanol (Solution 2). Les solutions ont été injectées dans la fracture à une pression de 150 bars. Les résultats de cette seconde série d'essais sont représentés par les figures 2, 3 et 4, ci-annexées. La figure 2 montre, pour la solution 1, la variation de perméa- bilité de fracture K (Darcy) de l'éprouvette en fonction de la quantité V de solution hydroalcoolïque de soude injectée (en millilitres). La figure 3 représente, toujours pour la solution 1, la hansse m de silice (en grammes) dissoute par la solution en fonction de la quan- tité V de solution injectée (en millilitres). Au bout de 18 heures la perte de poids de l'éprouvette a été supérieure à 5 Z, ce qui est une valeur élevée. La figure 4 montre, pour la solution 2, la variation de pernm6a- bilité de fracture K de l'éprouvette en fonction de la quantité V de 9 - solution hydroalcoolique de soude injectée. Les figures 2 et 4 montrent clairement le gain important de perméabilité obtenu. Après lixiviation avec la solution à 10 % de NaOH et 20 % d'éthanol, on constate que, en effet, la perméabilité passe de 10-5 darcy à 2,6.10-1 darcy. Pour une activité de SiO2 (quantité de SiO2 dissoute par la solution) comprise entre 20 et 30 mg par heure et par cm2 de fracture, ce qui correspond à la dissolution de 2.103-kg de matière minérale si l'on effectue le traitement de la roche par 100 m3 de la solution alco- olique de soude en admettant une dissolution moyenne de 20 g SiO2 par dm3. Troisième série d'essais: Attaque de roches par des solutions potassiques en cellules, sans circulation Une troisième série d'essais a été réalisée dans les mêmes conditions que la première, en utilisant de la potasse au lieu de la soude. Les résultats de cette troisième série d'essais sont rassemblés dans le tableau II, dont la comparaison avec le tableau I montre la plus faible activité de la potasse pour une même durée de réaction. Le classement des roches reste cependant le même si l'on consi- dère leur perte de poids. L'amélioration des résultats par l'utilisation d'une solution alcoolique est moins sensible qu'avec la soude. TABLEAU II Roches à l'état naturel; température des essais 100 C; pression: 100 bars; durée des essais: 144 heures. . _... NATURE DES ROCHES GRANODIORITE DE GNEISS DE PLANES GRANITE DE QUARTZITE DE TIGNES PORS-PODER PEN AR CREACH Teneur en silice du matrriau 25 % 32 % 40 % 82% Permảbilit6 initiale -6 (DARCY) 1 10-6 3 x 10-7 4 x 105 Q Soluté K OH 10 % en poids - Solvant: eau PermWabilité apres 4 essai 10 4 x 10 5 x 10- 1,3 x 10-3 Perte de Poids 1,5 % 1,1 % 3,5 % '16 Solut = K OH 10 % en poids - Solvant: eau 50 % + 6thanol 50 % en volume Perméabilité aprs essai 1,2 x 10-4 7 x 10- 2 x 10-5 1,2 x 103 Perte de Poids 2,4 % 2 % 5,7 % 13 % ,,,, 1- 1C> ca - 11 - II. INJECTION D'UNE SOLUTION SALINE On constate que si on injecte de l'eau (fluide caloporteur pour l'exploitation géothermique) dans la roche, apres le traitement de lixi- viation chimique décrit ci-dessus, il n'est pas possible de conserver la perméabilité acquise par ce traitement. Les résultats d'essais illustrés par la figure 5 (en ordonnées perméabilité K de l'échantillon, en Darcy; en abscisses volume de liqui- de ayant traversé l'échantillon en cm3) montrent, en effet, que la per- méabilité acquise grâace au traitement de lixiviation diminue lorsqu'on effectue l'injection d'eau. Ceci peut s'expliquer en considérant la courbe A de la figure 6 qui montre que le pH de l'eau sortant de l'échantillon diminue avec le volume d'eau injecté (porté en abscisses en cm3). On peut admettre quf cette diminution du pH provoque la préci- pitation dans les pores de la matrice des produits issus du traitement précédent de lixiviation, ce qui diminue la perméabilité de la matrice. Dans ces conditions, la possibilité de récupérer la perméabi- lité acquise par le traitement de lixiviation devient très aléatoire. Il a été découvert qu'il est possible d'éviter cet inconvé- nient si l'on rétablit rapidement la neutralité chimique de la matrice de la roche aussitôt après le traitement de lixiviation de celle-ci} en empêchant la précipitation des produits de cette lixiviation. Ceci est obtenu en faisant suivre le traitement de lixiviation d'une injection de solution aqueuse de chlorure de sodium ou de potas- sium dont la salinité peut être comprise entre 2 et 30 grammes/litre, par exemple voisine de 10 grammes/litre. La figure 7,illustrant un essai dans lequel le traitement de lixiviation est suivi d'un traitement de stabilisation chimique par injection d'une solution saline, montre que la perméabilité acquise par le traitement de lixiviation (permnuéabilité K indiquée en ordonnées, --- 2479320 - 12 volumes injectés portés en abscisses en cm3) ne subit dans ce cas aucune modification. L'injection ultérieure d'eau constituant le fluide caloporteur n'enlève plus de matière à la roche dont la perméabilité se maintient au niveau désiré. La courbe B de la figure 6 montre la très rapide inversion du pH de la matrice qui est obtenue en opérant dans ces conditions. Les trois étapes indiquées ci-dessus devront être réalisées successivement, la deuxième étape (injection de la solution saline) étant mise en oeuvre dès que le traitement chimique par lixiviation a permis d'atteindre la perméabilité globale de fracture désirée. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Procédé pour améliorer la perméabilité des roches, adapté à la production d'énergie calorifique _par géothermie haute énergie, caracté- risé en ce que l'on effectue successivement les trois étapes suivantes a) traitement chimique de lixiviation de la roche par injec- tion d'unie solution de soude ou de potasse pendant un temps limité b) injection d'une solution saline, et c) établissement de la circulation d'un fluide caloporteur à travers la roche. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le traitement de lixiviation au moyen d'une solution hydroal- coolique de soude ou de potasse. 3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise une solution hydroalcoolique de soude dont la concentration en NaOH est comprise entre I % et 30 % en poids. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on utilise une solution aqueuse de soude dans l'éthanol ayant une concen- tration en éthanol comprise entre 5 et 50 % en volume. 5. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trai- tement chimique de lixiviation est suivi d'une injection de solution aqueuse de chlorure de sodium ou de potassium. 6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on injecte une solution de chlorure de sodium dont la concentration en chlo- rure de sodium est comprise entre 2 et 30 grammes par litre.