BUREAU DE RECHERCHESGÉOLOGIQUES ET MINIÈRES

SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONALDépartement géothermie

B.P. 6009 - 46018 Orléans Cedex

COMPAGNIE GÉNÉRALE DE CHAUFFE

DIRECTION DE LA RECHERCHEET DE LA TECHNOLOGIE

37, avenue du Maréchal-de-Lattre-de-Tassigny59350 Saint-André

M. LOPOUKHINE (B.R.G.M.)

DIRECTION DE LA RECHERCHE ET DE LA TECHNOLOGIE (C.G.C.)

ÉTUDE DES PROBLÈMES DE PRODUCTION ET DE CORROSIONPOSÉS PAR L'EXPLOITATION GÉOTHERMIQUE DE MELUN

Compte-rendu de fin de contratd'une étude financée

par laDélégation générale

à la recherche scientifique et technique

Comité : GÉOTHERMIE

Décisions d'aide n° 75.07.1003 et 75.07.1004

77 SGN 656 GTH Novembre 1977

FICHE DE CONCLUSIONS

Action Concertée (comité scientifique) : GEOTHERMIE

Organismes bénéficiaires : B.R.G.M. Décisions d'aide n° : 75.7.1003B.P. 600945018 ORLEANS CEDEX B t / b' /- 1 u u«

C.G.C.37, av.du Maréchal deLattre de Tassigny59350 St ANDRE

Laboratoires :

- Département Géothermie du B.R.G.M.

- Direction de la Recherche et de la Technologie [C.G.C.)

Date d'entrée en vigueur : Septembre 1975

Durée : 21 mois

,, .i..*- MDntant : 115 000 F et 99 500 F.Responsable scientifique :

M. LOPOUKHINEB.R.G.M.

Tél. (38) 63.80.01

Nombre de chercheurs ayant participé : 6

Objet de la décision :

Etude des problèmes de production et de corrosion posés parl'exploitation géothermique de Melun.

Objectifs visés à l'origine :

- Réunir le maximum d'informations concernant le fonctionnement de lacentrale de Melun, et le chimisme de l'eau thermale exploitée.

Caractériser et expliquer les variations de débit de l'eau thermaledont il était fait état.

Déterminer les processus de corrosion interne qui sont à l'originede l'attaque des canalisations.

Ces objectifs ont-ils été atteints ? sinon, pourquoi ?

Certains de ces objectifs ont été atteints : un faisceau assez completd'informations concernant le chimisme de l'eau thermale exploitée etdes gaz associés est maintenant disponible.Les variations de débit et de température affectant la production ontété caractérisées et expliquées.

• • • / • • •

Par contre, en ce qui concerne la corrosion, l'objectif fixé n'a étéatteint que partiellement. Il a été en effet montré que les installa-tions en aval des échangeurs étaient affectées par deux processus decorrosion internes différents : l'un d'eux est clairement établi(corrosion ponctuelle] ; pour le second (corrosion généralisée], uneexplication a été avancée, sans pouvoir être prouvée. Enfin, le tauxde corrosion dans le puits de réinjection n'a pu être déterminé avecprécision, faute de documents de référence (diagraphies) ; néanmoins,il semble, selon l'hypothèse la plus probable, que ce taux n'excèdepas, après sept années de fonctionnement, 15 % de l'épaisseur nominaledu tubage (8,05 mm].

Voyez-vous une objection à la diffusion du rapport de fin d'étude ?

N O N .

Si oui, pourquoi et pendant combien de temps ?

Des publications scientifiques ont-elles déjà rendu compte de vos travaux ?

N O N .

Des brevets ont-ils été pris à l'occasion de la recherche ?

N O N .

L'action peut-elle et doit-elle avoir une suite ?

Une poursuite de la recherche semble souhaitable. Cette étude porteraitnotamment sur deux points qui n'ont pu être établis, à savoir :

- influence sur le rendement des échangeurs, de la coexistence d'unephase gazeuse avec l'eau thermale exploitée ;

- évaluation précise du taux de corrosion du puits de réinjection aumoyen de diagraphies ETT, qui seraient comparées à celles qui ontété réalisées en 1977 j

- recalcul de la durée de vie du doublet, en tenant compte des variationsde température, de pH et de débit de l'eau de réinjection.

Souhaiteriez-vous recevoir éventuellement une aide de la D.G.R.S.T. pour assurerl'exploitation des résultats obtenus ?

Une telle aide est souhaitable, notamment pour la poursuite desrecherches dans les deux voies qui viennent d'être indiquées.

R É S U M É

L'étude des enregistrements de débit, pression et température del'eau thermale exploitée dans la centrale géothermique de Melun a permis demontrer que les seules variations spontanées notables affectant ces paramètresétaient localisées en régime d'été, quand l'installation, n'ayant à fournirque l'eau chaude sanitaire, fonctionne à débit réduit (en thermosiphon, pompesä l'arrêt). Il se produit alors une autorégulation naturelle du débit, dont lemécanisme est expliqué.

Le chimisme de l'eau thermale et des gaz associés a également étéétudié afin de déterminer les causes de la corrosion qui a été constatée auniveau des installations de surface, et en particulier en aval des échangeurs.

Deux modes de corrosion ont été mis en évidence : une corrosiongénéralisée qui peut être due à l'existence d'une pression partielle de CO2particulièrement importante au puits de réinjection, ce qui conférait à l'eauthermale un caractère nettement acide. Le second processus d'attaque qui aété mis en évidence est lié à la présence dans le circuit primaire de bacté-ries sulfato-réductrices et se traduit par une attaque ponctuelle des cana-lisations. De ces deux processus, le second est certainement le plus actif.

Les diagraphies qui ont été réalisées sur les deux puits de l'ins-tallation ont permis d'évaluer la diminution moyenne de l'épaisseur du métal,due à la corrosion généralisée : les résultats montrent que le puits de pro-duction peut être considéré comme intact ; au puits de réinjection, il a ététrouvé une diminution moyenne n'excédant pas 15 % de l'épaisseur initiale dutubage. Par contre, les effets éventuels de la corrosion ponctuelle n'ont puêtre décelés sur ces diagraphies.

Les remèdes éventuels (prévention et traitement) à ces deux modesde corrosion sont passés en revue.

TABLE DES MATIÈRES

Paqes

I - INTRODUCTION x

II - CONDUITE DE LA RECHERCHE 3

III - ANALYSE DES RESULTATS 5

III. 1. Description générale du réseau primaire 5

111.2. Etude des enregistrements de débit, pression, 5température

111.3. Analyses générales de l'eau thermale „

111.4. Résultats de la campagne d'analyses systématiques o

III. S. Influence du dégazage de l'eau thermale sur le 5rendement des échangeurs

III.6. Etude du dépôt tapissant les canalisations desurface IQ

III. 7. Caractérisation des processus de corrosionaffectant l'installation

III.8. Evaluation du taux de corrosion des tubages

IV - ENSEIGNEMENTS POUR L'AVENIR 25

IV.1. Pression, débit et température de l'eau thermale.. 2

IV. 2. Dégazage et utilisation des gaz produits 2_

IV. 3. Corrosion des installations 2 7

IV. 4. Contrôle et prévention de la corrosion 2g

V - CONCLUSIONS 3 0

A N N E X E S

I - Evaluation de la quantité d'hydrocarbures gazeuxproduits et de la quantité de chaleur récupérable... 32

II - Calcul de la pression de saturation dans le puits deproduction et tau pH théorique dans le circuitprimaire ........ ............. 33

I - INTRODUCTION

La centrale géothermique de Melun-1'Almont, qui a été mise en serviceen 1970, assure la fourniture en eau chaude sanitaire et partiellement le chauf-fage de 3 000 logements de la ZUP.

L'étude qui fait l'objet de ce rapport avait pour but d'analyserle fonctionnement de cette installation et d'acquérir le maximum de donnéestant physiques que chimiques concernant l'eau thermale exploitée, afin detenter d'expliquer l'origine et le mécanisme de la corrosion qui affecté lesinstallations de surface, et des variations de débit d'eau thermale qui avaientété signalées.

L'installation de Melun a été réalisée suivant un schéma devenumaintenant classique dans le Bassin Parisien : un doublet de puits (produc-tion et réinjection) forés au Dogger et connectés à une batterie d'échangeursde chaleur ; l'eau thermale passant dans les échangeurs réchauffe l'eau ducircuit secondaire (eau de ville) et après refroidissement, est réinjectéedans le Dogger.

Le débit théorique du puits de production (100 m3/h) n'a jamaisété atteint ; de plus, il avait été observé qu'à l'ouverture de vanne cons-tante, il n'était pas possible d'obtenir une stabilisation du débit de l'eauthermale : les variations observées étaient de l'ordre de 10 à 15 %.

En ce qui concerne la corrosion, moins d'un an après sa mise enservice, l'installation a dû être arrêtée en raison d'incidents liés à uneattaque des installations de surface, notamment au niveau des échangeurs.

Ces échangeurs, qui, à l'origine, étaient des échangeurs tubulairesen acier, durent être remplacés par des échangeurs à plaque, en titane ; unesérie d'essais rapides avait montré que ce métal présentait les meilleuresgaranties de sécurité. Depuis lors, aucun incident n'a plus jamais été signaléconcernant ces échangeurs.

Néanmoins, il subsiste une attaque généralisée des installationsde surface, en particulier dans la partie du circuit comprise entre leséchangeurs et le puits de rëinjecticn.

L'étude faisant l'objet de ce rapport a donc été menée pendant21 mois, parallèlement aux travaux de maintenance de la centrale ; enparticulier, dans le courant du mois d'avril 1977, des travaux de remiseen état des puits (changement des vannes de tête de puits) ont été mis àprofit pour réaliser une inspection de l'état des tubages des puits deproduction et de rêinjection. Les diagraphies nécessaires ont été réaliséesavec l'aide du Comité Géothermie du Ministère de l'Industrie, du Commerceet de l'Artisanat.

Les résultats exposés dans cette étude sont donc la synthèsede données acquises, parfois par des voies différentes, durant unepériode allant de septembre 1975 à juin 1977.

II - CONDUITE DE LA RECHERCHE

Dans un premier temps, des enregistreurs de température, de pressionet de débit ont été posés en différents points du circuit (cf. figure 1) ;les appareillages suivants ont été retenus :

Température : MECI Speedomax G, type F, à 6 canaux et 6thermo-couples (Cu-Constantan).

Pression : 2 enregistreurs MATHIEU type EG 4 et 8 capteursde pression.

Débit : Débitmètre enregistreur SCHLUMBERGER.

Les paramètres physiques de l'exploitation (T, P et Q) ont doncété enregistrés en continu pendant plusieurs saisons de chauffe. Lesenregistrements ont été dépouillés et comparés entre eux.

D'autre part, des analyses préliminaires aussi complètes quepossible ont été réalisées sur l'eau thermale afin, d'une part, d'acquérirle maximum de données sur le chimisme de cette eau, et d'autre part decaractériser les paramètres chimiques qui devaient être suivis lors dela campagne de mesures systématiques, eu égard en particulier aux problèmesde corrosion constatés.

Une campagne d'analyses systématiques portant sur l'eau thermaleet les gaz associés a ensuite été menée sur plusieurs saisons de chauffe.Ces analyses ont comporté une détermination des éléments majeurs^du fer,du fluor et de la teneur totale en composés soufrés réducteurs de l'eauthermale.

Des analyses bactériologiques ont également été réalisées systé-matiquement sur l'eau des puits de production et de réinjection. La natureet les proportions des gaz produits ont également été déterminées.

Enfin, en mettant à profit un arrêt de la production destiné àpermettre le changement des vannes en tête de puits, des échantillons decanalisation ont été prélevés et étudiés. De plus, une diagraphie E.T.T.(contrôle électromagnétique de l'état des tubages) a été réalisée surles puits de production et de réinjection par la société SCHLUMBERGER.

FIG.1: MELUN L'ALMONT: SCHEMA DU CIRCUIT PRIMAIRE.

Pompe degavage

ir-T.P

Puits deproduction

/P

Echangeurs

T.P.

T,P.P o m p e deréinjection

T . P Q .

Puits deréinjection

Ill - ANALYSE DES RESULTATS

III.l. Description générale du réseau primaire (eau thermale)

Ce réseau schématisé figure 1 comprend de l'amont vers l'aval :le puits de production, une pompe de gavage destinée à relever la pression del'eau thermale avant son passage dans les ëchangeurs, trois échangeurs dechaleur montés en parallèle, une pompe de rêinjection et le puits de réinjection.

Les points de mesure de la température du débit et de la pressionsont également représentés sur ce schéma. Outre ces points, ont également étéenregistrées en continu la température extérieure et la pression atmosphérique.

III.2. Etude des enregistrements de débit, pression et température

Deux régimes de fonctionnement différents ont été adoptéspar la société exploitante.

III.2.7.

La pompe de gavage et la pompe de réinjection sont enmarche. Les paramètres physiques de la production sont les suivants :

. Puits de production Puits de réinjection

T = 70 à 71e C T = 35° C (en moyenne)

P s 3,2 à3,6 bars P = 13 bars

Q - 90 à 96.m3/h.

III.2.2. Régine d'oM

Dans ce cas, la centrale géothermique ne fournit quel'eau chaude sanitaire : les besoins étant réduits, les deux pompes (gavageet réinjection) sont arrêtées, le puits fonctionne en thermosiphon. Lescaractéristiques de la production sont les suivantes :

Puits de production Puits de réinjection

T = 66 à 68° C T = 35° C

P = 8 bars P comprise entre 7 et 8 bars

Q = 25 m3/h.

III.2.3. \n£Qjvph$JjxJtißn d&& 2.YVi2.QU>ftimzn£i> dz

Q.t dibit

Des enregistrements de ces trois paramètres ont étéréalisés en continu pendant quatre saisons de chauffe afin d'essayer decaractériser et de corrëler leurs variations éventuelles. Plusieurs typesde variations ont été mis en évidence.

a) Perturbations aléatoires des enregistrements detempérature.

La sensibilité de l'appareillage utilisé n'apas présenté que des avantages ; les tracés detempérature ont souvent été perturbés par desdécrochements d'une amplitude pouvant atteindre3°C, affectant simultanément tous les canaux, ycompris celui correspondant à la température ex-térieure. Ce type de perturbation n'a jamais puêtre relié à aucune variation des autres para-mètres (P et Q), ni à aucune intervention humainesur le circuit.

Ces variations sont probablement dues à un défauttechnique dans l'installation des enregistreurs ;il a d'ailleurs été observé qu'après étalonnage descapteurs et vérification du circuit (en particulierde la compensation de soudure froide des thermo-couples) ces perturbations ont été fortement atténuéessans toutefois disparaître complètement.

b) Perturbations dues à des interventions humaines sur lecircuit.

L'entretien courant des installations de surfacecomprend une manoeuvre quotidienne (fermeture -ouverture) des vannes de tête de puits, afin d'é-viter leur grippage. Ces manoeuvres ont une réper-cussion particulièrement importante sur les profilsde température.

Bien que quasi instantanées, elles provoquent unebaisse de 1 à 2°C de la température de l'eau ther-male à la production. Cette diminution ne s'atténuequ'au bout d'un laps de temps de l'ordre de la demi-heure ; sur les enregistrements de débit et depression, le retour aux valeurs maximales s'effectuepar contre quasi instantanément.

Les arrêts périodiques de l'installation pour détar-trage du circuit secondaire ont une incidence encoreplus importante sur les températures ; dans ce cas,le délai de stabilisation de la température de pro-duction peut atteindre plusieurs heures.

c) Variations de débit et de température en régime d'été.

Des variations de débit relativement importantes ontété mises en évidence en régime d'été. Dans ce cas,rappelons-le, le circuit primaire fonctionne enthermosiphon, toutes pompes arrêtées. Le débit nor-mal qui est alors de 25 m3/h environ, baisse pro-gressivement toutes les nuits jusqu'à environ15 m3/h avant de remonter progressivement jusqu'àsa valeur normale.

Ces variations qui s'étalent sur plusieurs heuressont étroitement corrélées (figure 2) avec uneaugmentation de la température de réinjection quipasse de 35°C en moyenne à 63°C environ. Rappelonsqu'en été, l'installation n'ayant à fournir que del'eau chaude sanitaire, deux des trois échangeurssont à l'arrêt.

L'eau chaude sanitaire est stockée dans 2 cuves de225 m3 installées sur le circuit secondaire, etqui permettent de faire face aux pointes quotidiennesde la consommation. La disposition des vannes sur lecircuit secondaire est telle (figure 3) que lorsqueles cuves de stockage sont pleines, l'arrivée d'eaude ville à l'échangeur produisant l'eau chaude sa-nitaire est coupée (schéma 3b) ; cet échangeurE.C.S. étant mis hors service, l'eau thermale estréinjectée à une température voisine de sa tempé-rature de production (63°C en moyenne). L'instal-lation fonctionnant en thermosiphon, on observealors une autorégulation du débit : quand lescuves de stockage sont pleines, la température del'eau réinjectée augmente ; sa masse spécifiquediminue entraînant une diminution du poids de lacolonne d'eau réinjectée. "L'aspiration" que cettecolonne d'eau exerce sur le puits de productiondiminue également et en conséquence le débit baisseprogressivement. Ce processus s'inverse dès quel'échangeur est remis en fonction (schéma 3c) : pourréchauffer l'eau chaude sanitaire stockée dans lescuves, l'eau secondaire, au retour de la ZUP, estpassée par l'échangeur avant de revenir à la cuve :l'échangeur étant remis en fonction, la températurede réinjection baisse, et le débit revient progres-sivement à sa valeur moyenne de 25 m3/h.

III.S. Analyses générales de 1'eau thermale

Ces analyses ont été réalisées dans le but d'acquérir uneconnaissance aussi complète que possible du chimisme de l'eau qui est ex-ploitée et également afin de déterminer les paramètres chimiques qui méri-taient d'être suivis par une campagne d'analyses systématiques.

FIG 2CORRELATION TEMPERATURE-DEBIT, (REGIME D'ETE).

2 9 Juin24h

3 0 Juin 197620h

-70

60

50

-40

i 1 i i

4h 8hI I

1¿h ièh

— - production

T E M P E R A T U R E :CO

réinjection

30

20

10

DEBIT

cx>

FIGURE 3FONCTIONNEMENT DU

CIRCUIT EAU CHAUDE SANITAIRE

a)electro vanne ouverte (contrôléepar le niveau d'eau dans la cuve)

» VV.. -* .A .A A Am A 'Arrivée eau deville

¿7

circuit primaireeau thermale

Cuve

E C S

¿7\.

Départ ECSZUP

Circuit secondaire (ECS)

1) Cuve en cours de remplissage automatique

Retour ZUP

b)

electro vanne fermée (cuve pleine)

2) Cuves pleines

c)

,electro vanne fermée

#

Réchauffage de l'eau chaude sanitaire

10

Les analyses ont été réalisées par le Service central deprotection contre les rayonnements ionisants (SCPRI) en ce qui concernela radio-activité de l'eau, et pour le reste par le laboratoire d'analysesphysiques (LDP) et le Service de contrôle des eaux de la ville de Paris.

a) Analyses de l'eau thermale.

Les résultats obtenus figurent tableau 1.

On peut noter en particulier la présence à l'état detraces des éléments suivants : Cd, Cr, Cu, Ni, Se, Zn, Co, Sr et Se.

b) Par ailleurs, en ce qui concerne la radio-activitéde l'eau du Dogger, les conclusions du SCPRI sont :

"Aucun radio-élément artificiel n'a été décelé...

En ce qui concerne la radio-activité naturelle :

- l'activité g totale est due en grande partie au potassium 40isotope radio-actif présent dans le potassium naturel ;

- la teneur en uranium naturel est très faible (inférieur à 0,4microgramme par litre).

Par contre, l'eau contient du radium 226 : 6,8 picocuriespar litre ; cette valeur est voisine de l'activité maximale admissible qui estrecommandée pour les eaux potables par la législation en vigueur... En con-clusion, l'utilisation indirecte de cette eau pour l'alimentation d'installa-tions de chauffage ne pose donc aucun problème sanitaire pour la population".

c) L'étude de ces analyses a permis de sélectionner leséléments chimiques méritant une surveillance systématique eu égard aux problèmesde corrosion posés par l'installation : hormis les éléments majeurs ont étéretenus le fer, le fluor, les espèces sulfurées. La campagne d'analyses sys-tématiques a également comporté des analyses bactériologiques et des analysesde gaz.

Tableau 1 : ANALYSES COMPLETES DE L'EAU THERMALE DE MELUN

(ppn, sauf mention contraire)

11

pH (laboratoire),,,,,,,,,Résistivité (fi/cm à 20°c)Résidu sec (g/1) (3]..,..TH (degré français)TAC (degré français],,..,Oxygène cédé par KMnO4 (mg/l.02)Ca .,,.,Mg .,.,.,, ,NaKNHif., ,Fe,, , ,..Mn ,,AlCl,,.,,,SO^HCO3PO^FSiO2LiBSeTiVCrCdCoCuZnAsSeBrRbSrHgNiPbAgSnSY

++++++

++

6,65017,266211,026°514,5580141

4 30068203,450,090,1

7 1606803230,024,522

0,030,050,20,050,12

0,003

300.00010,170,50,052

1 •* Détermination semi quantitative (spectrométrie de masse à étincelle].La présence des éléments notés + a été détectée (LDP).

2 - Analyse quantitative (service de contrôle des eaux). Les élémentsmétalliques non dosés n'ont pas été détectés sur un spectre d'émissiond'arc.

3 - Les analyses portant sur les ions majeurs effectuées périodiquementpendant cette étude ont fourni des valeurs de résidu sec différentesde celle-ci et avoisinant 14,6 g/1.

12

III. 4. Résultats de la campagne d'analyses systématiques

III.4.1. - La teneur en fluor de l'eau thermale qui peut avoirune incidence sur la durée de vie des échangeurs(échangeurs à plaques en titane) est de l'ordre de3,7 à 3,9 mg/1 ; elle est donc toujours comprisedans la marge de tolérance préconisée par leconstructeur.

111.4.2. - Des variations des teneurs en fer de l'eau thermaleont été mises en évidence lors de la campagne d'ana-lyses systématiques ; ces variations sont probablementdues à la présence occasionnelle de glomérules de feren suspension dans les échantillons prélevés et prove-nant du décollement des dépôts sur les parois descanalisations.

Il a donc été réalisé deux séries de dosages, l'uneen hiver, l'autre en été. Des couples d'échantillons(production et réinjection) ont été prélevés heure parheure pendant plusieurs jours ; ces échantillons ontété acidifiés puis analysés en laboratoire par absorptionatomique. Les résultats obtenus sont présentés sousforme d'histogramme exprimés en pourcentage de fré-quence/teneur en fer en ppm (figure 4).

En régime d'hiver, les teneurs en fer s'établissentcomme suit : à la production, 70 % des échantillonsont des teneurs comprises entre 0,4 et 0,7 ppm ; àla réinjection, les teneurs moyennes sont comprisesentre 0,2 et 0,4 ppm (71 % ) .

On aurait donc statistiquement moins de fer au puitsde réinjection qu'au puits de production.

En régime d'été, les résultats contradictoires obtenusau puits de réinjection sont apparus, après examen desconditions de prélèvement, comme non représentatifs ;le point d'échantillonnage utilisé dans ce cas étaitsitué, contrairement aux autres points de prélèvement,sur la génératrice inférieure d'une canalisation ; lesrésultats obtenus ont été faussés par la présence sys-tématique de fer en suspension, provenant du décollementdu dépôt tapissant les canalisations.

111.4.3. - Différentes méthodes de dosage de la somme des espècesdu soufre (ES--) autres que les sulfates ont étéessayées, en particulier le dosage par iodomëtrieinverse et au moyen des électrodes spécifiques (dosagepotentiométrique par Ag NO3). Les résultats trouvésoscillaient autour d'une valeur moyenne de 12,5 mg/1.

%fréauence PRODUCTION

-40

-30

-20

-10

ppm Fe

¿¿fréquence

\-40

REINJECTION

-30

-20

-10

FIG;4

0.1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 ' 0.1 0,2 0.3 0.4 0.5 0,6 0,7

R E G I M E D ' H I V E R

¿»fréquenceV40

-30

-20

-10

R E G I M E D 'ETE

fréquence

-30

-20

ppm Fe0.1 0,2 0,3 0,4 0.5 0.6 O;7 0.8

10

ppm Fe

ppm Fe0.1 0.7 0.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0.8 0.9 1,0 1.1 1,2 1.3

14

Dans la même période, des dosages plus précis ont étéréalisés par un laboratoire universitaire (J. BOULEGUEet al. 1976 (1)) qui constituent les données les plusprécises dont on dispose actuellement. Ces auteursfont état de la répartition suivante :

S 2 ° 3 — (ion g/kg)

E(H2Sn)

£(H2S)

Ï(S)

Puits

1,0

2,6

1,15

de production

. 10-*

. 10-*

. 10-*

. 10-3

Puits de

1,5 .

3

2,65 .

1,43 .

réinjection

10-*

10-*

10-*

10-3

On peut donc noter une augmentation des espèces dusoufre au puits de réinjection qui serait liée,d'après les auteurs, au refroidissement de l'eau.

III.4.4. - Les analyses bactériologiques ont porté sur ladétermination des thiobacilles (oxydation de H2S)et les bactéries sulfato-réductrices. Seule laprésence de ces dernières a pu être mise en évidence,non seulement dans les nodules de dépôt associés auxcratères de corrosion, mais également dans l'eau ther-male, au puits de réinjection. Il n'en a par contrejamais été trouvé au puits de production.

Il y a donc probablement prolifération de ces bacté-ries en aval des échangeurs, là où les conditions detempératures sont les plus favorables à leurdéveloppement.

III.4.5. - Nature des gaz désorbës.

Les gaz produits par détente de l'eau thermale à lapression atmosphérique et aux températures correspon-dant aux puits de production et de rëinjection ont étééchantillonnés et analysés par Chromatographie en phasegazeuse.

Les prélèvements ont été systématiquement réalisés parpaires (production et rëinjection).

Aucune différence significative de composition n'ajamais été décelée entre la production et la réin-jection. Par contre, il a été mis en évidence unelégère variation de la composition gazeuse entrel'été et l'hiver.

(1) Comptes rendus Acad. Se. Paris (tome 282, 12.01.77, série D, p. 145),

15

On a trouvé les valeurs moyennes suivantes(pourcentages en volume à la pression atmosphérique)

N2

0 2

C02

CHi»

C2H6

C3H8

Ci+H10

R2S

Régime d'été25,5

0,5

5,8

59,5

5

2

1

8,5 (vpm)

Régime d'hiver25

0,7

10

56

4

2

1

10 (vpm)

L'essentiel des écarts observés concerne les teneursrespectives en C02et CH^ : ces variations ne peuventêtre dues à des différences de solubilité de ces 2gaz en fonction de la pression, puisque tous lesprélèvements ont été réalisés à la pression atmos-phérique ; par contre, ils peuvent être dus à unedifférence dans la cinétique de dégazage de ces 2gaz.

JJJ.5. Influence du dégazage de l'eau thermale sur le rendement des

êchangeurs

La quantité totale de gaz produits par détente de l'eauthermale à la pression atmosphérique a été mesurée à plusieurs reprises.Ces mesures, réalisées par déplacement d'eau à différents débits, ontdonné des résultats relativement imprécis, compris entre 4 et 15 % degaz en volume, la plupart des résultats se situant autour d'une valeurmoyenne de 7 à 9 %.

Si l'on prend une valeur moyenne de 8 %, ce chiffre ramenéau débit d'eau en régime d'hiver (95 m3/h) montre que l'installation pro-duisant une quantité de gaz de 7,6 m3/h (à la pression atmosphérique et à70°C).

Ce chiffre constitue une estimation par excès du débit gazeuxréel dans la mesure où la pression à la production est de 3,5 bars relatifsen régime d'hiver.

16

L'existence de cette phase gazeuse dans le circuit primairepouvait néanmoins influer sur le rendement thermique des échangeurs ; il adonc été installé, en tête du puits de production, un dispositif permettantla séparation et l'évacuation de ces gaz.

Les essais de dégazage qui ont été réalisés n'ont euapparemment aucune incidence sur les températures enregistrées à lasortie des échangeurs ; néanmoins, les essais de plus longue durée quiauraient été nécessaires pour préciser ce point, n'ont pu être poursuivis.En effet, l'évacuation des gaz (et notamment du CO2) entraînait un risquesérieux de modification de l'équilibre calco-carbonique de l'eau, qui au-rait pu conduire à un entartrage vraisemblablement important au niveau desinstallations de surface, ce qui créerait des difficultés d'exploitationplus aiguës que celles occasionnées par la corrosion (la durée de vie mo-yenne des sections de canalisation de surface les plus fréquemment atteintesest de l'ordre de 3 à 4 années).

III. 6. Etude du dépôt tapissant les oanaUsations de surface

Au mois d'avril 1977, il a été nécessaire d'arrêter l'ins-tallation géothermique pour procéder à une modification des têtes de puits(adjonction d'un équipement permettant l'injection éventuelle d'inhibiteurde corrosion) et au remplacement des vannes dont elles sont équipées.

Cet arrêt a été mis à profit pour procéder ä une inspectionde l'état des tubages et pour prélever des échantillons de canalisation desurface.

Pour arrêter la production, il a fallu injecter dans lespuits des bouchons de saumure pour contrebalancer la pression artésiennedes forages.

Le dépôt tapissant le métal a été étudié au microscope(détermination sur section polie de la nature des espèces minéralesconstituant le dépôt) puis au microscope électronique à balayage (dé-termination de la répartition de ces espèces minérales).

III.6.1. M&uLtouU obte.nu& Í>UA le poetó de siílnj'zctLon

L'échantillon étudié a été prélevé sur une sectionde canalisation découpée au chalumeau, et ensuite à la tronçonneuse ; il estdonc possible que sa composition minéralogique ait été un tant soit peu mo-difiée par l'échauffement et l'oxydation que ces opérations ont entraîné.

17

Le dépôt, au laboratoire, était constitué de deux couches biendifférenciées (figure 5) :

- au contact avec le métal une couche de goethite (Fe2O3

- au-dessus, c'est-à-dire vers le centre de la canalisation etau contact avec l'eau thermale, une couche de pyritetrès finement cristallisée.

Le cliché figure 5 montre un certain nombre de discontinuités dudépôt apparaissant en noir figure 6. Elles sont dues à l'araldite, utiliséepour consolider l'échantillon, qui s'est infiltrée le long des discontinui-tés causées par le décollement des différentes couches du dépôt, au momentdu prélèvement de l'échantillon.

La limite entre ces deux couches est parfaitement nette (figure 6)Par ailleurs, l'examen des clichés obtenus au microscope électronique àbalayage, montre que la couche de pyrite ne forme probablement pas un re-vêtement protecteur continu, isolant le tubage de l'eau thermale. On a eneffet trouvé des traces de chlorure, provenant probablement de l'injectionde la saumure, dans la couche interne du dépôt (goethite).

L'épaisseur totale du dépôt était de l'ordre de 3 à 4 mm sur unesection de canalisation mise en place deux ans auparavant environ.

III.6.2. ObieAvcutLon* ¿un. le. paite dz production

II a été observé un dépôt très mince (inférieurau millimètre) constitué de Fe, de S et de traces de Ca (figure 7). Cetéchantillon avait été prélevé dans les mêmes conditions que le précédent,mais conservé dans une bouteille contenant de l'eau thermale.

JJJ. 7. Çaractérisation des processus de corrosion interne affectant

l'installation de Melun

La synthèse des observations réalisées lors d'incidents defonctionnement et des données analytiques recueillies dans le cadre de cetteétude permet d'établir que le circuit primaire en aval des ëchangeurs estaffecté par deux processus d'attaque différents :

. une corrosion généralisée,

. une corrosion ponctuelle qui semble de loin laplus active.

18

^^^^ - .Wai»- ,

1 métal

gœthite

pyrite

Grx 50

FIGURE 5

FeCI

s-" s Co.

FIGURE 7

21

Ces deux processus affectent essentiellement la partie ducircuit située en aval des échangeurs (installation de surface et puitsde réinjection) ; ce point a été confirmé par les observations visuelleset les résultats des diagraphies E.T.T. réalisées en avril 1977.

a) Corrosion généralisée.

Cette corrosion a été mise en évidence par lesdiagraphies E.T.T. ; les interprétations qui ont été faites à partir deces données montrent (ce point sera examiné ultérieurement) que l'ampleurde ce phénomène n'est pas très importante.

Une hypothèse permet de rendre compte du fait quecette attaque s'est développée surtout en aval des ëchangeurs et dans lepuits de réinjection : la corrosion généralisée pourrait être liée àl'existence dans le circuit primaire, en aval de la pompe de réinjection,d'une pression de CO2 particulièrement élevée. Ce fait, joint au refroi-dissement qu'elle subit au niveau des échangeurs, confère à l'eau thermaleun caractère acide nettement marqué. Des calculs, développés en annexe, ontpermis d'établir tout au long du circuit primaire les variations de pH del'eau thermale, en fonction de sa température et de la pression. Ces résul-tats sont résumés figure 8.

Une analyse détaillée des variations des caractèresphysico-chimiques de l'eau thermale dans le circuit primaire est en coursdans le cadre d'une autre étude (contrat C.C.E. n° 092 076 EGF) et devraitapporter des précisions sur ces points.

b) Corrosion ponctuelle.

La corrosion pontuelle se manifeste par la forma-tion de cratères dans le métal, pouvant atteindre quelques centimètres dediamètre, surmontés d'une "pustule" de dépôt.

Ce type de perforation est de loin le plus actifet a déjà été observé à plusieurs reprises sur les installations de sur-face. Les études bactériologiques qui ont été menées ont systématiquementmontré l'existence de colonies de bactéries sulfato-réductrices au seinde ces pustules.

De plus, des analyses systématiques portant surdes échantillons d'eau des puits de production et de réinjection ont mon-tré l'existence de ces bactéries dans l'eau thermale, à la réinjection maispas à la production.

influence durefroidissement.

point debulle

tête dTe puitsde production

— échangeurs —

». bars rell

pompe deréinjection

FIG.8 PH THEORIQUE DE L'EAU T H E R M A L E D A N S LE CIRCUIT PRIMAIRE

23

Ces bactéries anaérobies assimilent l'oxygène dessulfates pour leur métabolisme en utilisant l'hydrogène comme source d'éner-gie. De plus, elles sont thermophiles et leur température optimale de déve-loppement est voisine de 40°C. Les réactions de corrosion en présence de cetype de bactérie peuvent être résumées par la réaction :

4 Fe + SOit— + 4 H20 — 3 Fe (0H)2 + FeS + 2 0H-

Le milieu constitué par l'eau thermale en aval deséchangeurs serait donc, de par ses caractéristiques (anaérobie, présence desulfates, température voisine de 35°C), particulièrement favorables à laprolifération de ces bactéries.

III. 8. Evaluation du taux de corrosion des tubages des puits de Melun

Des diagraphies E.T.T. (Electromagnetic Thickness Tool) ontété réalisées sur les puits de production et de réinjection. Cette opérationa été réalisée sur fonds du Comité Géothermie du Ministère,de l'industrie etde la Recherche ; les résultats ont fait l'objet d'un rapport particulier(77 SGN 286 GTH) dont nous reprendrons les conclusions principales.

a] Principe et limites de la mesure

Un courant alternatif circulant dans une bobine êmettriceengendre un champ magnétique qui est couplé à une bobine réceptrice par letubage (figure 9). Le déphasage entre le signal émis par la bobine êmettriceet le signal reçu par la bobine réceptrice est proportionnel à l'épaisseurmoyenne du tubage. Le couplage entre les deux bobines étant réalisé par toutela circonférence du tubage, cette méthode ne peut être utilisée pour caracté-riser des points d'attaque du type de ceux mentionnées précédemment (cratèresde la taille d'une pièce de 5 F ) , car la réponse obtenue se traduira par unpic d'intensité trop fin pour être interprétable.

Les renseignements tirés de ces diagraphes ne concernentdonc que le taux de corrosion généralisée.

24

Bobine émettrice

Bobine réceptrice

t I

0,50m

I

7ÏJ.— 4

Tubage

Figure 9

Schéma de l'appareillage utilisé (E.T.T,)

25

b) Interpretation,

En l'absence de diagraphie de references réalisées aumoment de la mise en service des installations, deux hypothèses de calculont été admises pour le puits de réinjection :

Hypothèse la plus pessimiste :

Les deux tubages (production et réinjection) sont considéréscomme absolument identiques, et le déphasage moyen du tubagede production, dont on admet qu'il n'est pas corrodé, estutilisé pour déterminer le déphasage de référence ; dans cecas le tubage de réinjection aurait actuellement une épaisseurcomprise entre 68 et 72 % de son épaisseur initiale (8,05 mm).

Hypothèse plus favorable et plus probable :

II a été admis que sur une même longueur de tubage la zoneprésentant le déphasage le moins important n'a pas étécorrodée et constitue le point de mesure du déphasage deréférence. Cette seconde hypothèse qui est vraisemblablementplus proche de la réalité fournit des valeurs de l'épaisseurdu tubage toujours supérieures à 85 % de son épaisseurinitiale.

IV - ENSEIGNEMENTS POUR L'AVENIR

L'étude qui a été réalisée concernant les conditions de fonctionne-ment de la centrale géothermique de Melun (paramètres de production et com-portement des canalisations et des tubages en présence d'eau thermale) a permisde dégager un certain nombre de points importants, tant pour le fonctionnementde cette centrale que pour les réalisations futures.

TV. 1. Pression^ débit et température de 1f eau thermale

a) Contrairement ä ce qui était admis, il n'existe pas à Melunde variations du débit ou de la température de l'eau ther-male dues à d'autres causes que des interventions humainessur le circuit de surface (manoeuvre quotidienne des vannes,détartrage des échangeurs au niveau du secondaire, etc...).Les variations apparentes dont il avait été fait état, etqui avaient motivé pour partie cette étude, étaient duesau fait que l'on ne disposait que de relevés instantanésde ces paramètres, ce qui rendait impossible toute tenta-tive d'explication.

26

Les seules variations notables et régulières qui ontété remarquées concernent le débit, et sont le résul-tat logique du schéma de fonctionnement adopté en été(fonctionnement en thermosiphon avec cuves de stockagede l'eau chaude sanitaire).

b) On peut noter également l'extrême sensibilité de latempérature de l'eau thermale à la production, àtoutes les réductions de débit, même quasi instantanées.

Les manoeuvres quotidiennes des vannes du circuit desurface entraînent des chutes de températures de 1 à 2°Cqui ne s'atténuent qu'après une demi-heure environ.

De plus, les écarts observés entre les températuresmaximales enregistrées en été et en hiver sont à cetégard significatifs : alors que la température mesuréeau fond du forage est de 72,4 ± 0,5°C, les températuresmesurées en surface sont de 71°C en hiver, pour un débitmaximal de 96 m3/h et 68°C en été pour un débit de 25 m3/h.

Ces écarts sont probablement liés à un accroissement despertes de chaleur par conduction dans le forage, enraison de vitesses de transit plus faibles.

IV. 2. Dégazage et utilisation du gaz produit

La présence, dans la phase gazeuse, de quantités importantesd'hydrocarbures avait conduit à envisager leur utilisation éventuelle commeappoint thermique.

Le calcul effectué en annexe (annexe 1) montre qu'enfonctionnement en régime d'hiver, la combustion de ce mélange de gaz per-mettrait de récupérer théoriquement une quantité totale de chaleur d'environ40 000 Kcal/heure.

Néanmoins, la séparation et la combustion de ces gazprésente un risque pour l'installation : en effet, le mélange de gaz pro-duit par détente de l'eau thermale ne contient pas que des hydrocarbures :on y trouve également du C02 qui joue un rôle particulièrement importantdans la mesure où il contrôle l'équilibre calco-carbonique de l'eau ; uneséparation de la phase gazeuse entraînerait donc une modification de cetéquilibre, qui aurait pour conséquence un entartrage probablement importantdes canalisations du circuit primaire (voir annexe 2).

27

IV, 3. Corrosion des installations

L'étude de l'eau thermale et des gaz qui lui sont associésa permis de mettre en évidence deux processus de corrosion interne dontl'un au moins est connu de façon certaine.

Ces deux processus sont plus actifs dans la partie du circuitsituée en aval des ëchangeurs que dans la partie amont.

a) Attaque généralisée.

-Les causes de cette attaque n'ont pu être déterminées aveccertitude, et sont d'ailleurs encore à l'étude. Néanmoins, un calcul théoriquedéveloppé en annexe montre que, compte tenu des différents facteurs pouvantêtre pris en compte (température et pression de l'eau à la réinjection, propor-tion de CO2 dans le mélange gazeux, salinité et composition chimique de l'eau),l'eau thermale, à la réinjection en l'absence de contact avec l'atmosphère, aun caractère acide nettement marqué (pH théorique « 5,9).

Ceci pourrait contribuer à expliquer le caractère agressifde cette eau dans la partie refroidie du circuit primaire et notamment dans lepuits de réinjection.

Cet aspect de l'eau thermale du Dogger fait actuellementl'objet d'une étude plus complète (contrat C.C.E. n° 092-076 EGF) dont lesconclusions devraient permettre de mieux comprendre ce processus d'attaquegénéralisée.

Cependant, les diagraphies réalisées sur le tubage dupuits de rêinjection montrent que ce phénomène n'a probablement pas uneampleur considérable : dans l'hypothèse la plus probable, le maximum dediminution de l'épaisseur du tubage n'excède en aucun point 15 % de sonépaisseur initiale (8,05 mm probablement), après 7 années d'exploitation.

On peut d'ailleurs se demander dans quelle mesure ledépôt qui tapisse actuellement l'intérieur des canalisations et du puitsde rêinjection ne joue pas, au moins partiellement, un rôle protecteur ;en effet, ce dépôt est constitué, à l'analyse, de deux couches distinctes(oxyde de fer au contact avec le métal et sulfure de fer dans la partie encontact avec l'eau thermale). Si l'existence de la couche d'oxyde peut êtreimputée à une attaque du métal, ce ne peut être le cas de la couche de sul-fures : celle-ci est le résultat plus probablement d'une précipitation chi-mique à partir des éléments dissous dans l'eau, en réponse aux modificationsd'équilibre introduites par le refroidissement de l'eau thermale.

28

On a constaté en effet statistiquement une diminution dela teneur en fer dans l'eau de réinjection par rapport à la production ;d'autre part, une étude réalisée sur la répartition des espèces du soufredans l'eau thermale de Melun montre que le refroidissement de cette eau doitentraîner "une dismutation des ions polysulfurés en soufre Ss et sulfure HS.,dont l'augmentation entraînerait une légère précipitation de sulfuresmétalliques"(J, BOULEGUE et al,, déjà cité),

II est donc possible que le dépôt actuel de sulfure defer protège partiellement ou tout au moins ralentisse l'attaque chimique dumétal.

b) Attaque ponctuelle.

Ce mode de corrosion est beaucoup plus actif que le premieret a été à l'origine de nombreux percements des canalisations de surface, no-tamment dans les points du circuit où l'écoulement est perturbé (coudes, rac-cords de soudure, etc...).

Cette attaque, qui se manifeste par la création de cratèresde corrosion dans le métal associés à des nodules d'hydroxydes et de sulfure defer, est liée à la présence dans le circuit primaire de bactéries sulfato-réductrices qui trouvent en aval des échangeurs un milieu particulièrementfavorable à leur prolifération (milieu anaérobie, température - 35 à 40°C,présence de sulfates dans l'eau thermale...). Les bactéries se fixent surles parois des canalisations où elles prolifèrent en colonies entraînantainsi une attaque accélérée du métal.

Les effets de ce mode de corrosion n'ont pu être détectéssur les diagraphies qui ont été réalisées en raison notamment de la taille descratères éventuels (diamètre de l'ordre de 1 à 2 cm environ).

Il paraît cependant raisonnable d'admettre que les effetsen sont moins sensibles dans le puits de réinjection que dans les installationsde surface, en raison d'une part de l'uniformité des conditions d'écoulementdans le tubage qui doivent donc limiter la possibilité de fixation de cesbactéries sur le tubage, et d'autre part du caractère acide de l'eau thermaledans le puits de réinjection.

TV. 4. Contrôle et prévention de la corrosion

Compte tenu de toutes ces observations, un certainnombre de mesures peuvent être préconisées pour l'avenir.

29

a] Réalisation de diagraphies.

Il serait indispensable que de nouvelles diagraphies ETTsoient réalisées dans quelques années afin d'apprécierd'une façon plus précise l'évolution du taux de corrosiondes tubages de réinjection et de production.

Cette évaluation précise aurait pu être réalisée actuellements'il avait existé des enregistrements exécutés sur le tubageneuf au moment de sa mise en production.

Une telle précaution pourrait donc être d'une grande aidepour la surveillance du comportement des futures installa-tions du Bassin Parisien.

b) Contrôle de la corrosion généralisée.

Si les études en cours confirment l'hypothèse qui a étéavancée concernant le processus d'attaque généralisée(présence d'une pression partielle élevée de CO2 à laréinjection) des remèdes à ce phénomène relativement bienconnu devraient être trouvés sans trop de difficultés. Onpeut penser notamment à un dégazage partiel de l'eau ther-male qui devrait permettre de réduire l'agressivité de l'eausans pour autant entraîner un entartrage du circuit pri-maire. Cependant, une telle mesure ne peut être adoptéeavant de connaître avec certitude les modifications d'é-quilibre chimiques qu'elle entraînera au niveau du réservoir,à la réinjection, modifications qui peuvent avoir une inci-dence sur la qualité du réservoir.

c] Contrôle de la corrosion ponctuelle.

Aucune mesure n'a pu être adoptée à l'heure actuelle surles installations de Melun pour les protéger-contre ce typed'attaqué ; l'injection d'inhibiteur de corrosion a été en-visagée sans être retenue dans l'immédiat.

Il aurait en effet fallu procéder au préalable à un décapagesoit mécanique, soit par voie chimique du dépôt tapissantles installations : le décapage mécanique a dû être écarté :il risquait de n'être que partiel et dans ce cas on auraitcouru le risque d'accélérer encore le processus de corrosionen créant des plages de métal décapé, jouxtant avec des zonesrecouvertes de dépôt. De tels incidents ont déjà été observésdans certains champs pétroliers.

30

Des essais de décapage chimique ont par ailleurs étéréalisés sur des tronçons de tuyauteries. Les résultatsont montré qu'un décapage complet était très difficileà obtenir ; de plus, l'attaque du dépôt par l'acide alibéfé de l'hydrogène sulfuré en quantité telle quecette opération à l'échelle de l'installation n'estpas concevable à proximité d'immeubles habités commec'est le cas à l'Almont.

Par contre, en ce qui concerne les réalisations futuresil apparaît qu'un certain nombre de mesures préventivespourraient être adoptées. Il est en effet très probableque les bactéries sont introduites dans les installa-tions, soit au moment du forage, soit lors du montagedes installations de surface.

Il pourrait donc être opportun de réaliser une "stéri-lisation" des canalisations de surface au moment deleur mise en service soit par passage d'un courant devapeur, soit par chloration.

Enfin, une autre solution pourrait consister en l'adop-tion dès la mise en fonctionnement des installationsd'un traitement préventif consistant en l'injectionpériodique de bactéricide ou d'inhibiteur de corrosion.

Cette solution a déjà été adoptée sur d'autres installa-tions existantes.

V - CONCLUSIONS

Cette étude avait essentiellement pour objectifs de préciser,d'une part les conditions de production d'eau thermale dans la centrale géo-thermique de Melun-l'Almont, et d'autre part les causes de l'attaque des ca-nalisations qui a été constatée depuis sa mise en service.

1. Conditions de production de l'eau thermale

La pose d'enregistreurs de débit, pression et température, etle dépouillement des enregistrements obtenus ont permis de montrer que, con-trairement à ce que l'on croyait, les seules variations du débit et de latempérature observées sont dues, soit à des interventions humaines sur lecircuit primaire (manouevres des vannes en tête de puits), soit à la géomé-trie même de ce circuit (autorëgulation du débit, en régime d'été, quant lacentrale géothermique fonctionne en thermosiphon).

31

2) Attaque des canál'ísat-ions

Cette attaque qui, statistiquement, est plus prononcée dansla partie aval du circuit primaire (de la sortie des échangeurs au puits deréinjection) est probablement due à deux processus différents : une corrosionponctuelle due à la fixation en certains points des canalisations de coloniesde bactéries sulfato-rëductrices et une corrosion généralisée due probablementau fait que les conditions de pression et de température régnant à la réinjec-tion confèrent à l'eau thermale un caractère agressif marqué.

La réalisation de diagraphies dans les puits de production etde réinjection a permis de montrer que le tubage de production peut être con-sidéré comme intact« Dans le puits de réinjection, la diminution d'épaisseurdu métal, après 7 années de fonctionnement, a été évaluée : il semble, selonl'hypothèse la plus probable, que cette diminution n'excède nulle part 15 %de l'épaisseur nominale du tubage, ne remettant donc pas en cause la durée devie du puits.

Les remèdes à ces deux modes d'attaque des canalisations sontrelativement bien connus, mais n'ont pu, jusqu'à présent, et pour des raisonspratiques, être mis en oeuvre.

ANNEXE 1

EVALUATION DE IA QUANTITE D'HYDROCARBURES GAZEUX PRODUTTS

ET DE IA QUANTITE DE CHALEUR RECUPERABLE

Conditions de mesure du débit gazeux : P = 1 atm T = 70°C.

„ . T . -,nO„ tru RT 8.21.10-2(atm.l/deg)x343, 5Volume molaire a 70 C : VMi = •=— = . , '—^1 P 1 (atm)

28.17 1

Quantité de gaz produite dans les conditions de mesures : en moyenne 8 % envolume, soit, pour un débit de 95 m3h :

C = 95 x 0,08 = 7,6 m3/h = 269,79 moles/h.

Quantité de chaleur récupérable (mélange gazeux ramené à 20° C)

C2H2.

C3H8.

0,56

0,04

0,02

0,01

M (2)

151,08

10,79

5,39

2,70

H (3)

210,8

368,4

526,3

683,4

TOTAL = 40 503 Kcal/heure

Q (4)

31 847,7

3 975

2 836,7

1 843,7

<f = fraction molaire = pourcentage en volume.

M = quantité de gaz produite en moles/h (M = C x*f )

H = chaleur de combustion ä 20°C (en Kcal/mole).

Q = quantité de chaleur produite en Kcal/h (Q = M x H)

33

ANNEXE 2

CALCUL DU pH DE L'EAU THERMALE EN TETE DE PUITS

ET DE LA PRESSION DE SATURATION DANS LE PUITS DE PRODUCTION

INTRODUCTION

La coexistence avec l'eau thermale d'une phase gazeuse contenantune proportion notable de CO2 a comme conséquence que les mesures de pH quiont été effectuées, bien qu'ayant été réalisée in situ, sont faussées parle dégagement de gaz qui se produit dès que l'on prélève un échantillon d'eau.

Il est cependant possible de calculer sa valeur théorique dans lecircuit primaire, moyennant un certain nombre d'hypothèses et de simplifica-tions inévitables.

HYPOTHESES DE CALCUL

1) Les deux forages (production et réinjection) sont isothermes

Cette hypothèse a été vérifiée par des mesures sur le puits deproduction : il n'a été observé qu'une variation de 2,5°C entre le réservoiret la tête de puits (72,5°C et 70°C). Pour le puits de réinjection, cette hy-pothèse a été vérifiée par le calcul. La température du puits de réinjectiona été fixée à 35°C.

2) II y a existence d'un équilibre chimique (entre l'eau thermale et

le réservoir calcaire qui la contient).

L'eau thermale est donc saturée vis-à-vis de la calcite dansles conditions de température et pression régnant au fond du forage.

Lors de sa remontée, cette eau thermale est soumise à une détente,mais l'équilibre chimique initial n'est pas perturbé tant que l'eau n'a pasatteint une cote telle que la pression régnant à cette cote soit inférieureou égale à la pression de saturation de l'eau (point de bulle)>

3) Représentativité des proportions des différents composés gazeux

Dès que la pression devient inférieure à la pression de satu-ration, il y a coexistence dans le puits d'une phase liquide et d'une phasegazeuse. La proportion générale de gaz va croissant jusqu'en surface, où l'onconsidère que la pression minimale est atteinte à la sortie des échangeurs.

34

On admet que les proportions relatives des différents consti-tuants gazeux constituant le mélange (voir analyses) ne varient pas sensible-ment dans le domaine de pression considéré (de la pression atmosphérique àP = Psat qui peut, à priori, être fixée à quelques dizaines de bars, paranalogie avec d'autres cas étudiés). La proportion de CO2 dans le mélangeest donc constante.

n'v a p a s ^e "Précipitation de Calcium dans le puits de production

Cette hypothèse a été vérifiée : il n'y a pratiquement pas dedépôt notable dans le puits de production. Les analyses réalisées n'ont mon-tré que des traces négligeables de Calcium.

La teneur en Calcium de l'eau en surface est donc identiqueà celle que l'on observe au fond du forage.

S) Tout le Calcium dosé est sous forme ionique simple.

De plus, on admet que le calcium ne se combine qu'avec lesespèces carbonatées et vice versa. Enfin le pH de l'eau n'est fonction que dela distribution des espèces carbonatées de l'eau thermale (un calcul simplifiéa permis de montrer, par exemple, que la prise en compte des espèces du soufreprésentes dans l'eau, n'influait pratiquement pas sur les résultats obtenus).

I - ANALYSE UTILISEE (J. BOULEGUE, et al., 1977).

Ca

1,45 10-2Mg

5,82 10-3Na

178 10-1K

1,95 10-3Cl

2.021 10-1SOi*

5,53 10-3HCO3 ;

6,5 10-3 mole/1

II - DONNEES DE BASE

Force ionique I = 1/2 Em.Z? Y [(0,178+0,00195+0,202+0,0065)+(0,00582+0,0145

+0,00553)4]

0,245

35

Coefficients d'activité à 70°C (70° = valeur moyenne à la production).

- 7CO2 (solution 0,5 m NaCl) = 1,11 (Helgeson, 1969)

A Z2 V T- 7 HCO3 : - log 7 = -: a^ sjy (les valeurs de A, B et a0 sont

extraites de R. GARRELS etC. CHRIST, 1967).

0,5540 x 1 x ,70,245 = 0,1648.1 + 4 x 0,3353 N/0245

7 HCO3 = 10-°-16U8

- - . 0,5540 x 1 x V0,245 . , . _ .- 7CO3 : - log 7 = —- —2 = 0,62791 + 4,5 x 0,3353 \/0,245

Y C O 3 " = 10-° ,6279

- 7 C a + + : - log 7 = 0,5495 TCa + + = 10-° -51*95

Coefficients d'activité à 35°C (35°C = valeur moyenne à la réinjection).

De la même manière, on trouve :

7C0 2 (0,5m) = 1,15

7HCO3 = 10-0 ' 1575

YCOT^ = 10-°-59

YCa + + = 1O-0,5176

Notations = - les notations du type 111HCO3, 111CO3 ... désignent les concentrations.

- les notations [CO3 J jHCOjj désignent les activités.

- les notations YHC03, YCO3 désignent les coefficients d'activité.

36

III - CALCUL DE IA PRESSION DE SATURATION AU PÜTTS DE PRODUCTION (point de bulle)

ET DU pH A CE NIVEAU

D'après les hypothèses adoptées pour ces calculs, le point de bulle(niveau auquel l'eau thermale commence a se dégazer) doit correspondre à unepression totale, et donc à une pression partielle de CO2 telles qu'il y aéquilibre chimique entre les espèces carbonatées et le calcium de l'eau ther-male. Comme il n'y a pas eu précipitation de calcium :

m Ca mesuré = mCa équilibre = 1,45 10 2 m/1, soit 10 ' m/1.

On doit donc avoir :

K s _ 10-8'9

m 3

m C a + + . 7 C a + + .

K2 7HCO3

J . -7 HCO3Kl

5 881+

- _ M . 10-5>88" 10-0,6279

IO_1O,13 ,0-0,1648

mHCOj = 10 3' 7 8 2 9 [H+_] m/1.

I" +110-0,1648

10-

mH2C03

x 103;7829 [H+]

9,98 I" +-|210 LHJ m/1.

D'autre part, la relation de neutralité électrique de la solution

peut s'écrire :

2 (mCa+++mMg++-mSOi+ ) + mNa+ + mR+ - mCl" = 2 m C 0 ~ + [On J - [H+J

C'est à dire en remplaçant les termes du premier membre de l'équationpar leurs valeurs (voir analyse) :

|_OHJ

7,43 .10" = mHCOâ + 2 mC0 +

_12,72

étant égal à 70°C à —r=

H J

[OH J- U p

ce terme peut être négligé : on obtient

ainsi •ainsi . - 3 3,78292 > 1 0

_5, 884>

r +"iOn en tire : |_H J

10-5'91

37

Le pH de l'eau thermale au point de bulle est donc 5,91.

On peut alors recalculer la répartition des espèces carbonatées del'eau thermale, et partant la pression partielle de C02ainsi que la pressiontotale correspondante :

On obtient ainsi :

3,7829 _5,91 _2,129 _3mHC02 = 1 0 - 10 = 1 0 soit 7,43 10 mole/1.

„ „ -5,91 „ _1,843 _3mH2C03 = 10

9, 9 8 . (10 )2= 10 ' soit 14,35 10 mole/1.

La somme des espèces carbonatées (désignée par CO2 total] est doncégale à 21,78 10-3 mole/1.

L'activité de C 0 2 , ÎC02~I = 5Ë22°J. = J0_^_8_^_ = 10o )0066 = , ,01531- -i l\i nn I o 1 . 8 5-1/ 85

Cette activité correspond à pC02 = ^ C ^ = ] ' , , = 0,9147 atm.

Comme il y a 9 % en volume de CC^dans le mélange gazeux,

^W- ->0.16«-.

soit 10,3 bars.

IV - CALCUL DU pH 1HEORIQUE EN TETE DE PUITS DE PRODUCTION

P production = 3,5 bars (relatifs) T = 70°C.

Il y a en moyenne 9 % en volume de C02 dans le mélange gazeux.

P totale abs : 1 + (3,5 x 0,986923) = 4,45 atm.

. p C0 2 = 4,45 x 0,09 =0,4 atm.

r ~|. C02 = 0,4 x 1,11 = 0,444 - 10

-0,352

H^COjL = 10-l,85 d o n c n f f l i C o 3 = 10_l 85X 10_0,352 _ l o_2,20

38

Y - H+ . mHCO¡ .-yHCOa _ -6 í36 _ lQ-6,3625 . IQ.2,20Kl = a v i - 10 d o n c mHCO3 = =—-= ,n_u ibUü—

m H 2 CO3 [n J • 1U ;

L.H J

H + . mCOl ycoâ" i n 1 9 1 3 . „— 1O 1 9 1 3 .K2 = a— a — = 10—iaiá donc 111CO3 =— = 1 0 d o n c 111CO3 = p^= x - -

tnHCO¡ . ^ H C O ¡ [Hj . 10- 0 - 6 2 7 9 [ H J

10_18,067mC03 = p -t 2— m/1

fa J

M • í_12 72

La neutralité électrique de la solution peut s'écrire :

2(mCa+++mMg++-mSO") + mNa+ + mK+ - mCl~ = m HCO3+ + M + + S O " ) N + + K+ Cl~ HCO + 2 mCO" + [OHJ - [_H+J

c'est-à-dire, en remplaçant ces termes par leur valeur (voir analyse) :

. -8,4 _18,067 .12 727 43 1 0 - 3 = 10 + 2.10 10

' ITT [+]¿I T T [H + ] ¿ [H+J

Le dernier terme H I peut en première approximation être considéré commenégligeable. ~*

-9 _18J 1 /•> ,n 3,981 10 . 1,713 10On a donc : 7,43 10 = 1- j + — y — >-. 2

LHJ LH J

r+~i2

Soit, en multipliant par [H J et en réarrageant- 3r +n2 -9 r +i -18

7,43 10 [_H J - 3,981 10 |_H J - 1,713 10 = 0

39

Cette équation admet une racine positive :

F +1 -7 -6,27

[H J = 5,36 10 = 10 '

On doit donc avoir :

in"8'4 -2,129 _3mHC03 = — ^ = 1 0 = 7,42 10 mole/1.

3 10-6,27

-18.067 c r oin ' _5.52 _6

mCOo = — — = 10 = 2,98 10 mole/1.(10- 6> 2 7) 2

La somme des espèces carbonatées,(C02 total) est donc :

_2,20 _2 129 _5,52CO2 total = mH2CO3 + 111HCO3 + mC03 = 1 0 + 1 0 + 1 0

Co2 total = 13,74 10-3 moles/1.

Par ailleurs, on devrait avoir à l'équilibre :

mca++

++mC0¡~ if C0¡~ .-£ Ca + + 10- 5, 5 2 . 10- 0, 6 2 7 9. 10-°/51+95

soit : mCa eq = 6.35 10-3 moles/1.

La concentration mesurée dans l'eau thermale étant 1,45 10-2, l'eauthermale en tête de puits de production serait sursaturée vis-à-vis de la cal-cite par un facteur de l'ordre de 2 et devrait donc précipiter de la calcite.

Dans la pratique, aucun dépôt n'ayant été observé à ce niveau, ilfaut en conclure que l'état d'équilibre théorique qui a été calculé n'est pasatteint en tête de puits en raison probablement de la vitesse de circulationdu fluide dans le circuit primaire.

40

La valeur de pH calculée (6,27) correspond donc à la valeur limitequ'atteindrait ce paramètre si un état d'équilibre chimique entre la phasegazeuse et la phase liquide pouvait s'établir en tête de puits.

Des calculs analogues ont été réalisés pour les points correspondantà l'entrée et à la sortie des échangeurs ; les résultats suivants ont étéobtenus :

Localisation

Entrée échangeurs

Sortie échangeurs

T°C

70°C

35°C

P barsrelatifs

2,6

0,5

pH théorique

6,37

6,43

CC¿ total(lO-3 moles/l)

12,46

11,64

Ce mode de calcul ne peut être poursuivi au-delà de la pompe deréinjection. Il n'est en effet pas possible de calculer de pH théorique àce point en se basant sur la pression partielle de CO2 car à la pression deréinjection (13 bars) il ne devrait plus y avoir de phase gazeuse individua-lisée dans le circuit primaire, et ce d'autant plus que la pression de satu-ration à 35°C doit être plus faible qu'à 70°C.

Si, dans la pratique, on observe encore la présence de gaz à lasortie de la pompe de rëinjection, cela tient probablement au fait que lacompression au niveau de la pompe étant instantanée, il existe un certaintemps de latence entre la compression et la redissolution des gaz dans l'eauthermale.

Néanmoins, les conditions théoriques de pH à la réinjection peuventêtre déterminées graphiquement au moyen des diagrammes de POIRIER (figure 1).

Ce diagramme a été construit d'après la méthode exposée parL. LEGRAND et G. POIRIER (1972).

On a représenté sur ce diagramme les deux courbes CO2 totalspécifiques de l'eau de Melun, correspondant à l'équilibre vis-à-vis de lacalcite à 70°C et 35°C (les calculs correspondants sont développés à la finde l'annexe).

f(Ca + +),

C O 2 total

1O~ 3 m/l .

41

• ¡eauthermale à70"c.

4 0 *:eau thermale à 35'c.

-30

/ 3 5

i ,point de bulle. •/réinjection. / /limite CO2total

tête depuits de•• production^entrée

sortie Ides échangeurs

10 SU 12 13 14 15 16

Calcium

IQ"1* m/ l .

42

Les différents points représentant l'évolution théorique de l'eauthermale dans le circuit primaire ont également été représentés.

1) Au point T (point de bulle), l'eau thermale est à l'équilibrevis-à-vis de la calcite à 70°. La valeur de CO2 total(21,78 10-3 mole/1) qui correspond à l'équilibre au point debulle, et donc dans les conditions de fond (voir hypothèsen° 2), constitue la valeur maximum que peut prendre la somme(H2CO3 + HCO3 + CO3 ) des espèces carbonatées de l'eau deMelun.

Le pH correspondant au point de bulle est 5,91.

2) En tête du puits de production, la baisse de pression aentraîné un dégazage partiel, qui a pour conséquence unediminution de CO2 total. Comme il n'y a nulle part préci-pitation de calcium, le point représentatif a évolué lelong d'une droite verticale d'abcisse Ca = 14,5 10-3 mole/1.

Ce point se trouvant en-dessous de la courbe d'équilibre àl'eau a tendance à être entartrante ; son pH "théorique (sil'équilibre se réalisait") serait- HP fi 97

à 70°C,- - ¡.si

îquilibre se réalisait) serait de 6,27.

3) A l'entrée des échangeurs, la pression a encore baissé,tandis que la température est toujours de 70°C.

La tendance entartrante de l'eau thermale s'accentue encore ;le pH théorique est de 6,37.

Dans la pratique, les équilibres théoriques n'étant pasatteints du fait de la vitesse de circulation de l'eauthermale et probablement de la cinétique des phénomènesde dégazage, l'eau est en réalité probablement beaucoupmoins entartrante qu'elle ne devrait l'être en théorie.Cela explique pourquoi nulle part dans le circuit primaireon ne trouve de traces de tartre.

4) A la sortie des échangeurs, la pression a encore baissé. Latempérature étant passée à 35°C, le point représentatif del'eau est très voisin de la courbe d'équilibre. Théoriquement,l'eau devrait être encore légèrement incrustante, quoiquebeaucoup moins qu'à l'entrée des échangeurs. Dans la pratique,du fait que les équilibres ne sont pas atteints, il est pos-sible que l'eau soit déjà à ce niveau légèrement agressive.

5) A la réinjection (a la sortie de la pompe) l'eau thermaleà 35°C subit une compression brutale, et les gaz désorbëslors de la détente repassent en phase aqueuse. La teneuren calcium restant constante, le point représentatif évoluetoujours sur la même verticale, mais cette fois-ci dans lesens CO2 total croissant.

Cette évolution ne peut se poursuivre au-delà du point Tcorrespondant à CO2 total = 21,78. Le pH théorique à cepoint ne peut donc excéder 5,91.

Le point correspondant se trouvant largement au-dessus dela courbe d'équilibre à 35°C, l'eau thermale à la rëinjec-tion a donc un caractère agressif nettement marqué.

43

44

CALCUL DES DIAGRAMMES DE POIRIER

Compte tenu de la salinité de l'eau de Melun, les calculs ont étéeffectués en prenant en compte les coefficients d'activité.

DONNEES DE BASE

1) à 70°C (voir première partie du calcul pour références).

10_0,1648

10_0,6279

1O-°>51+95

= 10-6r36

= 10-10' 1 3

K = 10-8/9

s

2) à 35°C

3- = 10-° >1575

C03~~ = 10-°i59

Ca jO-0 ,5176

Ki = 10-6,347

K 2 = 10-10,24

JX. ~ l U I

CALCULN

Mg

Na

K

meq/1

11,64

178

1,95~

10-3.moles/1

5,82

178

Cl

so4

meq/1

202,1

11,06

10-3.moles/P

202,1

5,53

Z P = 191,59 E N - 213,16

X = N ~ P = 10,78.

I - CALCUL A 70° C

m Ca** (10-3.moles/1)

m HCO3 = 2 (Ca** - A)

m C O ~ Xsm l-U-5 J.J. -|_L.

mCa . "fc Ca . f CO 3

r +-, K . m HCO~ . Y HCO 3~

L •* m CCÇ". -j COj"

mHCO3 . Y HCO3.[H+J

2 3 Kj

C O 2 total (10-3 . moles/1)

11

0,44

10-0,3565

10-2,76

l 0_7,263

10-1, «2

0,48

: 12 :

2,44 ;

; 100,3874 |

! 10-2,801 !

' 10-6,478

' 10°.1 0 7

: 3,72 :

13

4 , 4 4 ;

10° ,61+7lt

10 2 , 8 3 6

10-6,182

100,663

9,04

14

6,44

1 Q 0 ^8088

l 0 -2 ,8687

10-5,989

101,017

16,85

: 15

; 8,44

; 100,9263

' 1 0 - 2 , 8 9 8 7

•

; lo-5-81+1

•

; îo1-283

: 27,63

: 16

10,44 ;

lOl,O187 :

. 10-2,9267

10-5,721

41,73

17

12,44

1Ol,O948

10-2.953

10-5,619

101,673

59,58

II r- CALCUL A 359 C

m Ça** (10-3 noles/1)

m HCO3~ = 2 (Ca4^ - A)

m m ^s3 „cÄ-ca^co"-

f „+1 K?. m HCO^~ ."ffHCC "[Jl J J

m C03 . Y CO3

m BOO," f HDO,".fc+]1

CO 2 Total (10-3 moles/1) :

: 11 : 12» •1 •

0,44 : 2,4410-0 ,3565: I Q 0 , 3 8 7 4

•

•

10 7, 7 8 7 : 10- 7, 0 0

•

•10-1,954 . iQ-0,423

• tm <

• «* •

•

0,45 : 2,82•••

13•

: 4,441OO,6474

10-2,t56

10-6,704

10 0,133

5,80

•: 14

; 6,4488

I 10-2, «»88

' 10 6,51

' 10 o,"88

: 9,52

: 15

: 8,44100,9263

10-2,518 ;

10 6 » 3 6

10 0,755

14,13

: 161

: 10,44; îo 1, 0 1 8 7

10-2,546 :

10-6,242

10 0/566» • *t • *

: 19,69 :

17

; 12,44

10 2,573

••

10-6,14

10 i,144

26,37

47

R E F E R E N C E S

J. BOULEGUE et al. - 1977 - Comptes rendus Académie des Sciences.Série D, t. 282, p. 145.

R. GARRELS ET C. CHRIST - 1967 - Equilibre des minéraux et de leurs solutionsaqueuses.Monographies de Chimie Minérale. Ed . Gauthier Villars.

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L. LEGRÄND et G. POIRIER - 1972 - Théorie des eaux naturelles, agressivitécorrosivitê} problèmes divers.Collection "Techniques et Sciences Municipales".Eyrolles éditeur. Paris.