Soutenance mémoire
Le bassin de Paris et ses aquifères d’eau chaude
Présentation générale du bassin de Paris
Le bassin de Paris a une géométrie semi-circulaire d’une longueur d’environ 600 km, d’un rayon d’environ 390 km et d’une surface de 120 000 km2 qui couvre la moitié nord de la France. Il s’agit d’un bassin sédimentaire extensif qui s’étend au bassin de Londres, à la mer du Nord, à la Manche et sa marge atlantique (Figure I-4). C’est le produit d’une subsidence qui a accumulé plus de 3000 mètres de sédiments et qui a évolué progressivement vers un bassin compressif [Lemoine, 1911 ; Soyer et Cailleux, 1960 ; Pomerol et Feugueur, 1974 ; Pomerol, 1978 ; Mégnien et Debrand Passard, 1980 ; Guillocheau et al. 2000 ; Merle, 2008]. Les limites géographiques de cette unité structurale sont : ses limites ouest et sud-ouest sont le Massif Armoricain et le bassin aquitain par le seuil du Poitou, sa limite sud correspond aux contreforts du Massif Central, à l’est, sur l’Argonne, et au sud-est sur le graben de la Bresse par le seuil de Bourgogne et enfin au nord et au nord-est il s’appuie sur les collines de l’Artois et sur le Bassin Belge [Courel, 1973 ; De Wever et al., 2002 ; Jost, 2005].
Le bassin de Paris est constitué d’une accumulation de plusieurs couches géologiques affleurant en bandes parallèles et concentriques baissant régulièrement d’altitude vers le centre (auréoles périphériques du Trias, du Jurassique et du Crétacé) (Figure I-5) [Soyer, 1953]. Les altitudes sont généralement basses et comprises en moyenne entre 50 et 200 mètres (NGF). La structure générale du Bassin de Paris est déformée par des plissements anticlinaux (comme ceux de Mareuil, Vigny ou encore Roumois) et synclinaux (Ourcq, Thérain, Seine…) qui sont pour la plupart hérités de l’histoire hercynienne [Soyer et Cailleux, 1960 ; Pomerol, 1978 ; Guillocheau et al., 2000 ; Jost, 2005].
Histoire géologique
Dans le cas de ce travail, l’intérêt principal de l’étude des terrains sédimentaires est de comprendre la formation des aquifères dans un environnement géologique donné, susceptible d’être utilisé pour une exploitation géothermique. Le bassin de Paris a subit plusieurs cycles sédimentaires d’au moins 240 Ma qui ont donné naissance aux formations des aquifères de l’Albien et surtout du Dogger très utilisés à des fins géothermiques.
Le Bassin de Paris, tout au long de sa formation a subi de nombreuses phases de transgressions et régressions marines ou lagunaires. Ces phases s’accompagnent de formations de dépôts sédimentaires de nature variée. Ainsi, au début de l’ère secondaire, au cours du Permo-Trias, du Jurassique et du Crétacé un rejeu d’accidents hérités de l’orogenèse hercynienne est observable. La sédimentation marine, engendrant des dépôts parfois calcaire (Dogger, Crétacé supérieur) parfois sableux ou argileux (Lias, Jurassique supérieur, Crétacé inférieur) s’est produite sur une plateforme soumise ensuite à des mouvements tectoniques [Fourmentraux et al., 1959 ; Debelmas, 1974 ; Pomerol, 1978 ; Guillocheau, 1991 ; Jacquin, et al., 1992 ]. Les dépôts du Dogger sont de nature calcaire, les dépôts de l’Albien sont de nature sableuse.
Plus tard, au Paléogène et Néogène, une longue série d’alternances de faciès, tantôt marins, tantôt continentaux, se disputent l’occupation de la province tertiaire où ils abandonnent des sédiments nombreux et variés. Au cours de Miocène et du Pliocène, le paroxysme Alpin engendre des cours d’eau issus du Massif Central. L’évolution structurale jointe aux apports continentaux expliquent le grand nombre de passages latéraux de faciès [Soyer, 1953 ; Cailleux, 1960 ; Soyer et Cailleux, 1960 ; Blondeau, 1965 ; Pomerol et al., 1974 ; Cavalier, 1975 ; Debelmas, 1978 ].
Les différents cycles stratigraphiques montrent l’évolution des rapports entre domaine marin et domaine continental d’une part, l’évolution du relief terrestre d’autre part [De Wever et al., 2002].
Hydrogéologie du bassin de Paris
Aquifères du bassin de Paris
La structure en cuvette du bassin de Paris ainsi que les alternances des couches perméables (calcaires, sableuses) et imperméables (argileuses) en font un bassin riche en eaux souterraines où des nappes aquifères peuvent se former. Un aquifère est une formation hydrogéologique perméable permettant l’écoulement significatif d’une nappe d’eau souterraine ainsi que le captage de quantités d’eau suffisante. La couche géologique qui est en perpétuelle interaction avec l’eau souterraine est appelée la couche réservoir. Il s’agit d’une roche dont la porosité permet le stockage de l’eau et sa circulation (e.g un sable ou un calcaire limité par des couches imperméabiles argileuses). D’après le log stratigraphique (Figure I-6) les passages latéraux de faciès sont la conséquence de couches géologiques variées possédant des propriétés géochimiques qui leurs sont propres. La formation d’un aquifère et les propriétés chimiques le constituant, sont grandement influencés par la nature des couches, qu’elles soient imperméables (le toit ou le mur constituant l’aquifère) ou perméables dans lesquelles la presque totalité de la pluie efficace s’infiltre [Mégnien, 1970 ; Pomerol, 1974 ; Roux, 2006].
Au cours de l’infiltration, l’eau réagit avec les minéraux de la roche réservoir pendant son temps de séjour dans l’aquifère. Sa composition chimique et isotopique est alors modifiée sous les effets conjugués de la température et de la pression de l’aquifère ainsi que du rapport volumique eau/roche [Abou Akar, 1994 ; Castro, 1995].
Le bassin de Paris est constitué de plusieurs couches réservoirs cités du plus récent au plus ancien (énumération choisie dans le sens du forage et nons dans le sens du dépôt) :
– La couche réservoir de la craie du Crétacé supérieur ;
– La couche réservoir des sables de l’Albien (Crétacé inférieur) ;
– La couche réservoir des calcaires du Lusitanien (Jurassique supérieur : Malm) possédant un aquifère peu exploité ;
– La couche réservoir des calcaires du Dogger (Jurassique moyen): aquifère le plus utilisé du bassin de Paris pour l’exploitation géothermique ;
– La couche réservoir des grès du Rhétien (Trias) ;
Parmi ces aquifères, ceux susceptibles de fournir un fluide géothermal à une température minimale de 30°C sont les sables de l’Albien, les calcaires du Lusitanien, les calcaires du Dogger et les grès du Trias [Rambaud et Kerjean, 1993]. Les calcaires du Lusitanien et les grès du Trias, bien que potentiellement intéressants en terme de température (60°C et >85°C) compte tenu de leur profondeur (1500 mètres et > 2000 mètres) restent peu connus à ce jour. L’aquifère de l’Albien (et Néocomien) est un aquifère protégé en cas de pénurie d’eau potable et son exploitation géothermique reste très limitée. L’aquifère du Dogger est une ressource largement exploitée en Île-de-France pour les besoins de la géothermie basse énergie mais aussi pétrolière. Cette ressource est donc mieux connue [Enay, 1980 ; Lopez et al., 2010] que les trois autres aquifères, qui représentent plutôt des ressources potentielles. Notre étude se porte sur la géothermie basse énergie c’est à-dire concernant des profondeurs allant jusqu’à 2000 mètres pour des températures comprises entre 20°C et 90°C. C’est pour cette raison qu’une étude bibliographique plus détaillée des aquifères de l’Albien et surtout celui du Dogger est nécessaire, dans le but de comprendre des propriétés environnementales pouvant interagir avec les matériaux utilisés dans les puits géothermiques comme le ciment.
Aquifère de l’Albien
L’aquifère de l’Albien est présent sur une grande partie du bassin de Paris (plus de 80000 km2 ), mais c’est en même temps celui dont la dynamique est la plus difficile à appréhender [Lauverjat, 2006]. Le forage de Grenelle en 1841 a révélé une eau quasiment pure et a soulevé un vif intérêt. La quarantaine d’ouvrages (forages et puits) réalisés jusqu’en 1933 ont provoqué une baisse considérable des niveaux artésiens (passant de +126 m à +20 m) amenant la création d’un cône de dépression centré sur le nord de Paris débordant largement sur toute la région parisienne et conduisant à une mise sous surveillance par les décrets de 1935 et 1937, limitant le droit de forer au-dessous de 80 mètres [Raoult et al., 1998]. Pendant ces 30 dernières années, le service des Mines a limité les prélèvements à environ 18 millions de m3 par an ce qui rend cet aquifère difficile à étudier. La région parisienne comprend très peu d’opérations géothermiques implantées dans l’Albien à cause de sa protection. De plus, ces prélèvements s’effectuent sans réinjection d’eau pour préserver sa pureté.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1 LA GEOTHERMIE BASSE ENERGIE
1.1 Introduction générale sur la production d’énergie
1.2 La géothermie
1.2.1 Définition
1.2.2 Les différents types de géothermie
1.3 Le bassin de Paris et ses aquifères d’eau chaude
1.3.1 Présentation générale du bassin de Paris
1.3.2 Histoire géologique
1.4 Hydrogéologie du bassin de Paris
1.4.1 Aquifères du bassin de Paris
1.4.2 Aquifère de l’Albien
1.4.3 Aquifère du Dogger
1.4.4 Conclusions intermédiaires sur les caractéristiques des deux aquifères principaux du bassin de Paris
1.5 Caractéristique d’un puits de forage géothermique
1.6 Forage Rotary
1.7 Technologie des casings et tubings
1.8 La cimentation
1.8.1 Le rôle de la cimentation dans les puits
1.8.2 Méthodes de cimentation
1.8.3 Typologie et mise en place des ciments
1.8.4 Contrôle de cimentation
1.9 Conclusions intermédiaires
2 LE CIMENT PORTLAND
2.1 Composition du ciment de Portland
2.1.1 Le clinker
2.1.2 Le gypse
2.2 Les additions minérales et adjuvants
2.3 Le ciment de classe G
2.4 Réaction d’hydratation
2.4.1 Le mécanisme de Le Chatelier
2.5 Les bilans réactionnels de l’hydratation d’un ciment Portland
2.5.1 L’hydratation des silicates
2.5.2 Les C-S-H
2.5.3 La portlandite
2.5.4 L’hydratation des aluminates de calcium hydratés
2.6 Interactions entre les différents constituants du ciment Portland
2.7 Le degré d’hydratation
2.8 Evolution de la porosité
2.8.1 Les bulles d’air
2.8.2 Les pores et réseaux capillaires
2.8.3 Pores des hydrates ou pores de gels
2.9 Etat de l’eau dans la matrice cimentaire
2.9.1 La perméabilité
2.10 Facteurs influençant l’hydratation du ciment
2.11 L’Influence de la température dans l’hydratation de la pâte de ciment
2.11.1 Effets de la température sur les hydrates et la microstructure
2.11.2 Effets de la température sur le comportement mécanique
2.12 Influence de la pression
2.12.1 Effets de la pression sur les hydrates et la porosité
2.12.2 Effets de la pression sur le comportement mécanique de la pâte de ciment
2.13 Pénétration des ions chlorures dans les matériaux cimentaires
2.13.1 Les chlorures
2.14 Bilan : Mécanismes d’attaque par les eaux salines
2.15 Facteurs influençant la fixation des Cl-
3 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
CHAPITRE II. PROGRAMME EXPERIMENTAL
1 DEMARCHE METHODOLOGIQUE
1.1 Chantier d’un puits géothermique
1.1.1 Présentation du site
1.1.2 Coupe Lithostratigraphique
1.1.3 Données physico-chimiques du réservoir du Dogger
1.1.4 Caractérisation du puits
1.1.5 Présentation des ciments prélevés sur site
1.1.6 Bilan
1.2 Ciments préparés en laboratoire
1.2.1 Formulation et désignation de ciment de classe G
1.2.2 Formulation et désignation du ciment allégé en bentonite
1.2.3 Fabrication des éprouvettes de pâte de ciment
1.2.4 Fabrication des moules calcaires simulant l’encaissant du puits géothermique
1.2.5 Coulage des échantillons
2 PRESENTATION DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL
3 MISE AU POINT D’UNE CELLULE DE MATURATION DES EPROUVETTES DE COULIS DE CIMENT
3.1 Présentation générale
3.2 Principe de fonctionnement
4 MESURE DES PROPRIETES PHYSIQUES ET MECANIQUES
4.1 Fréquence de résonance, NF EN 14580 (2005)
4.2 Vitesse du son, NF EN 14579 (2005)
4.3 Résistance à la compression [NF P 94-420 (2000)] et module de Young [NF P 94-425 (2002)]
5 ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE DES PATES DE CIMENT
5.1 Porosimétrie par intrusion de mercure (PIM)
5.2 La Diffraction des rayons X (DRX)
5.3 Microscope électronique à Balayage (MEB)
5.4 Mesure de la perméabilité
5.4.1 Généralités : Loi de Darcy
5.4.2 Méthodes par écoulement permanent (Steady state flow method)
5.4.3 Méthode par écoulement transitoire (Pulse test ou impulsion par pression [Brace et al., 1968]
5.4.4 Présentation de l’appareillage
5.4.5 Formulation théorique
6 PROPRIETES THERMIQUES
6.1 Conductivité thermique
6.1.1 Descriptif de l’appareillage et principe de fonctionnement
6.1.2 Formulation théorique
6.1.3 Processus expérimental
6.1.4 Paramétrage de l’instrumentation des mesures et déroulement de l’expérience
6.1.5 Essais de caractérisation
7 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
CHAPITRE III. ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE DES PATES DE CIMENT DURCIES
1 ETUDE MICROSTRUCTURALE DES PATES DE CIMENT REALISEES AU LABORATOIRE
1.1 Minéralogie et caractérisation de la porosité de la pâte de ciment durcie de classe G
1.1.1 Etude de la minéralogique et des caractéristiques microstructurales du matériau de référence
1.1.2 Méthode d’analyse ‘semi-quantitative’ des phases minérales détectées dans les pâtes de ciment durcies
1.1.3 Effet de la température
1.1.4 Effet de la pression
1.1.5 Effet de la présence du NaCl dans le fluide environnant
1.1.6 Conclusions intermédiaires
2 MINERALOGIE ET CARACTERISATION DE LA POROSITE DE LA PATE DE CIMENT ALLEGEE EN BENTONITE
2.1 Etude des propriétés minéralogiques des montmorillonites
2.2 Etude de la minéralogie et des propriétés microstructurales du matériau de référence
2.2.1 Effet de la température
2.2.2 Effet de la pression
2.2.3 Effet de la présence de NaCl dans la solution environnante
2.2.4 Conclusions intermédiaires
3 COMPARAISON DES ANALYSES MICROSTRUCTURALES ISSUES DES PATES DE CIMENT DE CLASSE G ET ALLEGEES EN BENTONITE
4 DIFFICULTES LIEES A L’OBSERVATION DE L’ARGILE DANS LA PATE DE CIMENT ALLEGEE EN BENTONITE
5 RESULTATS DES MESURES DE PERMEABILITE
5.1 Prise en compte des compressibilités du matériau
5.2 Comparaison des résultats expérimentaux avec la solution analytique
6 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
CONCLUSION GENERALE
