Projet « MINEWATER ». Etude de préfaisabilité - Modélisation

Projet MINEWATER . Etude de prfaisabilit - Modlisation

hydrodynamique et thermique du rservoir ennoy du Bassin

Houiller LorrainRapport final

BRGM/RP-56385-FR Juin 2008

Projet MINEWATER . Etude de prfaisabilit - Modlisation

hydrodynamique et thermique du rservoir ennoy du Bassin Houiller

Lorrain Rapport final

BRGM/RP-56385-FR Juin 2008

tude ralise dans le cadre des projets de Recherche du BRGM APMR03

V. Hamm, B. Bazargan-Sabet

Vrificateur : Nom : A. MENJOZ

Date :

Signature :

Approbateur : Nom : D. PENNEQUIN

Date :

Signature :

En labsence de signature, notamment pour les rapports diffuss en version numrique,loriginal sign est disponible aux Archives du BRGM.

Le systme de management de la qualit du BRGM est certifi AFAQ ISO 9001:2000.

I

M 003 - AVRIL 05

hammTampon

Modlisation hydrodynamique et thermique du BHL

Mots cls : gothermie basse nergie, rservoir minier, modlisation numrique, calcul analytique, galerie, dressant, charbon, BHL En bibliographie, ce rapport sera cit de la faon suivante : Hamm V., Bazargan-Sabet B. (2008). Projet MINEWATER . Etude de prfaisabilit - Modlisation hydrodynamique et thermique du rservoir ennoy du Bassin Houiller Lorrain. BRGM/RP-56385-FR, 61p, 22 fig., 1 tab. , 4 annexes. BRGM, 2008, ce document ne peut tre reproduit en totalit ou en partie sans lautorisation expresse du BRGM.


Synthse

Cette tude sinscrit dans le cadre du projet Europen Minewater financ par le programme Interreg IIIB Europe du Nord Ouest dont lobjectif est dtudier tous les aspects relatifs lutilisation de leau des mines comme ressource gothermique. Le projet comprend plusieurs aspects relatifs une tude de prfaisabilit dutilisation des anciennes mines de charbon du Bassin Houiller de Lorraine (BHL) comme nouvelle ressource nergtique. Ces aspects sont en particulier :

- la description de la gologie du site,

- des critres techniques avec un descriptif des puits de mine, des installations en surface et du fonctionnement du rservoir minier,

- une tude conomique

- et une tude environnementale.

Le prsent rapport est relatif au fonctionnement du rservoir minier aprs ennoyage. Ce dernier a une structure complexe, il est constitu dun rseau de galeries subhorizontales et de bures verticaux non remblays, de panneaux de charbon combls par du sable et de la roche des grs du houiller le plus souvent fracture par lexploitation. Le comportement du rservoir a t tudi par modlisation numrique lchelle du puits de production et lchelle de la mine.

Le choix du rservoir minier pour la modlisation a t effectu parmi un certain nombre de sites possibles pour une utilisation gothermique et qui rpondait un certain nombre de critres conditionnels comme la profondeur des puits (> 800 m) et leur accessibilit ainsi que la prsence dun rseau de chaleur en surface. Le site qui a t modlis est celui de la concession de Vouters situe sur la commune de Freyming-Merlebach (57) cot franais et se prolongeant cot allemand. Le site comprend 8 puits dont 2 allant jusqu une profondeur de 1250 m chacun environ, lun ferm par un bouchon en surface avec une ouverture daccs de diamtre 800 mm (puits Vouters2) et lautre entirement btonn (puits Cuvelette Nord) mais avec des canalisations encore en service pour le captage du gaz. Par ailleurs le site dispose en surface dun rseau de chaleur gr par la socit SODEVAR.

Les rsultats de la modlisation lchelle dun puits montrent que ltablissement de la temprature de leau dans le puits en contact avec la roche chaude est fortement dpendant du rapport diamtre du puits sur la hauteur de la colonne deau. Ainsi pour un puits profond de grand diamtre (7,5 m pour le puits Vouters), la temprature de leau shomognise sur la hauteur du puits alors que pour un forage de plus faible diamtre (< 1 m), la temprature dans le puits tend vers le gradient gothermique de la roche. Par ailleurs le pompage au fond du puits dans la galerie induit une chute de

BRGM/RP-56385-FR Rapport final 3


4 BRGM/RP-56385-FR Rapport final

temprature sur la colonne deau dans le puits (gradient de temprature dans le puits plus faible). Cette baisse se stabilise dans le temps et est fonction du dbit pomp.

La modlisation lchelle dun rservoir minier a t ralise pour tudier sa capacit gothermique dans le cas dun doublet (puits de production et puits de rinjection). Leau est pompe initialement 52 C une profondeur de 1250 m et injecte une temprature constante de 20 C une profondeur de 420 m. Les rsultats montrent que lvolution de la temprature dans la zone de production est fonction notamment :

- du dbit de pompage-rinjection avec une chute de temprature plus rapide pour un dbit plus grand,

- de la distance mais surtout des communications hydrauliques entre le point de pompage et de rinjection,

- des valeurs et du rapport de permabilit entre la galerie et la roche, avec une attnuation de la baisse de temprature pour une roche plus permable du fait de lchange convectif entre leau contenu dans la roche et leau de la galerie.

Par ailleurs un fonctionnement du doublet gothermique par cycles dune dure de 1 an chacun avec 6 mois de fonctionnement suivi de 6 mois darrt du systme permet un gain de temprature qui est fonction du dbit et de la dure de fonctionnement. Ce mode de fonctionnement qui devrait correspondre une utilisation de la chaleur gothermique pendant la priode la plus froide va dans le sens dune amlioration de la dure de vie du systme.


Sommaire

1. Introduction...............................................................................................................9

2. Calculs analytiques thoriques.............................................................................11

2.1. RECONSTITUTION DU CHAMP DE TEMPERATURE.....................................11

2.2. REINJECTION...................................................................................................12

3. Choix et configuration du site minier pour la modlisation ...............................15

3.1. CHOIX DUN SITE.............................................................................................15

3.2. CONFIGURATION DU SITE..............................................................................16

4. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du puits Vouters........17

4.1. PRINCIPES DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU ............17

4.2. PROFIL DE TEMPERATURE DE LEAU DANS LE PUITS A LEQUILIBRE THERMIQUE AVEC LA ROCHE (CONVECTION NATURELLE ET CONDUCTION) .................................................................................................18 4.2.1. Premier cas : puits de diamtre 7,5 m......................................................18 4.2.2. Second cas : puits de diamtre 0,8 m ......................................................21

4.3. PROFIL DE TEMPERATURE DE LEAU DANS LE PUITS A LEQUILIBRE THERMIQUE AVEC LA ROCHE LORSQUE CELUI-CI EST EN PRODUCTION (CONVECTION FORCEE).................................................................................23 4.3.1. Cas dun dbit de production de 100 m3/h (diamtre du puits : 800 mm).23 4.3.2. Cas dun dbit de production de 600 m3/h (diamtre du puits : 800 mm).24

5. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du rservoir minier....27

5.1. PRINCIPE DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU ..............27

5.2. CALCUL DU TEMPS DE MISE A LEQUILIBRE THERMIQUE DE LEAU AVEC LA ROCHE DANS UNE GALERIE ....................................................................29

5.3. CALCUL DU TEMPS DE REFROIDISSEMENT AU PUITS DE PRODUCTION PAR FONCTIONNEMENT DUN DOUBLET INJECTION PRODUCTION.....30 5.3.1. Injection au puits Cuvelette Nord (tage 420) et production au puits

Vouters (tage 1250)................................................................................30 5.3.2. Injection et production au puits Cuvelette Nord (tage 420 et tage 1250)35



5.4. ETUDE DE CYCLES DE FONCTIONNEMENT ET DARRET DU DOUBLET GEOTHERMIQUE SUR LEVOLUTION DE LE TEMPERATURE DANS LA ZONE DE PRODUCTION ................................................................................. 38

6. Conclusion.............................................................................................................. 39

7. Bibliographie .......................................................................................................... 41

Liste des illustrations

Figure 1. Diminution de T entre la roche et leau en fonction du temps ................................... 12 Figure 2. Variation de temprature au point de pompage en fonction du temps ........................ 14 Figure 3 : Configuration et maillage du puits de section 44 m2et de la galerie de section 20 m2............................................................................................................................................ 19 Figure 4 : Profil de temprature sur laxe du puits de 7,5 m de diamtre ................................... 20 Figure 5 : Profil de temprature sur laxe de la gallerie de 4,5 m de cot (coupe le puits en 0)............................................................................................................................................. 20 Figure 6 : Tempratures sur un plan de coupe sur laxe du puits et de la galerie ...................... 21 Figure 7 : Configuration et maillage du puits de section 0,5 m2 et de la galerie de section 20 m2 ............................................................................................................................... 22 Figure 8 : Profil de temprature sur laxe du puits....................................................................... 23 Figure 9 : Evolution de la temprature dans le puits pour un dbit de production de 100 m3/h.............................................................................................................................................. 24 Figure 10 : Evolution de la temprature dans le puits pour un dbit de production de 600 m3/h....................................................................................................................................... 25 Figure 11 : Bloc 3D de la concession Vouters (Marthe).............................................................. 28 Figure 12 : Vue perspective de trois niveaux de galleries (Marthe) ............................................ 28 Figure 13 : Temps de chauffe de leau au centre de la galerie ................................................... 29 Figure 14 : Schma 3D simplifi des niveaux de galeries (source : charbonnages de France) avec positionnement du doublet gothermique : 1re configuration ............................... 30 Figure 15 : Evolution de la temprature au point de production sur un an pour un dbit de 100 et 600 m3/h ...................................................................................................................... 31 Figure 16 : Evolution de la temprature au point de production sur 60 ans pour un dbit de 100 et 600 m3/h ...................................................................................................................... 32 Figure 17 : Analyse bivarie entre les variables (X,Y) o X et Y reprsentent respectivement la baisse de temprature pour un dbit de 100 m3/h et 600 m3/h ..................... 33 Figure 18 : Influence de la permabilit de la matrice sur la baisse de temprature au point de production (dbit de 600 m3/h) ...................................................................................... 34




Figure 19 : Schma 3D simplifi des niveaux de galeries (source : charbonnages de France) avec positionnement du doublet gothermique : 2me configuration ..............................36 Figure 20 : Evolution de la temprature au point de production (cas de Cuvelette ligne continue et Vouters ligne pointille) pour un dbit de 100 et 600 m3/h pendant un an ...............37 Figure 21 : Evolution de la temprature au point de production (cas de Cuvelette ligne continue et Vouters ligne pointille) pour un dbit de 100 et 600 m3/h pendant 60 ans .............37 Figure 22 : Temprature dans la zone de production pour un fonctionnement par cycle (ligne continu) compare un fonctionnement en continu (ligne pointille)................................38

Tableau 1 : Baisse de temprature (C) au point de production pour un dbit de 100 et 600 m3/h .......................................................................................................................................32

Liste des annexes

Annexe 1 Emprise des travaux miniers et localisation du champ dexploitation Vouters...........43 Annexe 2 Perspective isomtrique du champ Vouters ...............................................................47 Annexe 3 Projections horizontales des galeries et dressants pour chaque niveau exploit .........................................................................................................................................51 Annexe 4 Cartes du champ de temprature pour les tages 420 et 1250 pour les deux configurations tudies ................................................................................................................57



1. Introduction

En 2006, le BRGM a intgr le projet Europen Minewater, initi dans le cadre du programme Interreg IIIB, dont lobjectif est de dmontrer la faisabilit dutiliser leau des mines de charbon ennoyes comme source de chaleur pour le chauffage collectif. Dans ce contexte, le BRGM tudie les capacits du bassin houiller de Lorraine dans le but didentifier des sites potentiels qui pourront faire lobjet dune tape de validation ultrieure par la mise en uvre dun pilote industriel.

La Lorraine et la Sarre prsentent un contexte particulirement favorable lexploitation de la chaleur de leau des anciennes mines de charbon. Ces mines sont partiellement ennoyes et le seront compltement dans les annes venir. La temprature peut atteindre jusqu 50C dans les quartiers exploits 1200m de profondeur. Lautre point favorable est la prsence dutilisateurs potentiels dnergie que sont les zones dhabitation denses et dindustries localises au-dessus des mines.

Le systme dexploitation envisag est proche de celui bien connu en basse nergie qui utilise leau de nappes profondes pour le chauffage de btiments en rseau de chaleur. Le systme est constitu dune boucle gothermale : leau chaude remonte depuis la profondeur par un forage de production jusqu un changeur en surface o la chaleur est rcupre, puis leau refroidie redescend en profondeur par un forage de rinjection.

La difficult essentielle par rapport lexploitation dune nappe profonde rside cependant dans la complexit du rservoir minier qui est constitu dun rseau de galeries et de puits sur plusieurs niveaux, intersect par des zones foudroyes ou remblayes tendues sur plusieurs hectares. La caractrisation de ce rservoir ncessite donc des tudes spcifiques dont une modlisation hydro-thermique fine base sur la gomtrie relle du site.

Ce rapport prsente le volet modlisation, valuation de la capacit gothermique du rservoir du Bassin Houiller Lorrain du projet Europen Minewater relatif lutilisation de leau chaude des mines comme ressource nergtique. Il dcrit les rsultats de la modlisation relatifs au site minier de Vouters qui est le champ dexploitation le plus important du bassin houiller Lorrain avec 40,2 millions de m3 de vides rsiduels crs par lexploitation du minerai de charbon.

La dmarche adopte est dabord une tude de cas analytiques thoriques simplifis afin de fixer les ordres de grandeur des processus thermiques tels que le temps dquilibre thermique entre leau dans les galeries et la roche, et la variation de la temprature au point de pompage dans le cas dun fonctionnement par doublet. Dans un second temps, le rapport dcrit la modlisation numrique sur site de ces processus lchelle dun puits puis lchelle du rservoir minier.


2. Calculs analytiques thoriques

Avant de prsenter les modlisations numriques relatives au site, nous avons effectu des calculs analytiques sur certains aspects du comportement du rservoir avec des hypothses simplifies afin de fixer les ordres de grandeur attendus.

2.1. RECONSTITUTION DU CHAMP DE TEMPERATURE

A la fin de lennoyage, la temprature de leau du rservoir est diffrente de celle de la roche. En effet, le flux deau arrive rapidement dans les vides travers le rseau de galeries et de puits de sorte que lquilibre thermique entre leau et la roche ne peut pas tre tabli pendant la phase de remplissage. Pour une premire estimation du temps ncessaire cet quilibre, nous supposons que les vides sont suffisamment loigns les uns des autres pour quils naient pas dinfluence thermique mutuelle. Nous considrons une galerie horizontale paralllpipdique de hauteur (h) de largeur (b) et de longueur (l) remplie deau une temprature initiale constante. Nous supposons par ailleurs que la chaleur est transmise de la roche vers leau et que le dbit hydraulique est nul.

Dans ces conditions, la solution analytique de ce problme peut scrire sous la forme:

(1) ),,(),,(),,(),,,( thzTtbyTtlxTtzyxT =

O est la solution de lquation (2): ),,( tlxT

(2) 022

=

tT

xT

Avec la diffusivit thermique de leau

Si Ti est la diffrence de temprature initiale entre leau et la roche, le flux transitoire de chaleur aura pour consquence de rduire cette diffrence dans le temps.

La solution de lquation (2) a t formule par Carslaw & Jaeger (1959):

(3) lxne

nTtlxT ltn

n

ni

2)12(cos

12)1(4),,(

222 4/)12(

0

++

= +

=

Ainsi, la solution de lquation (1) peut scrire sous la forme:



(4)

lzne

nlyn

enl

xnen

TtzyxT

htn

n

n

btn

n

nltn

n

ni

2)12(cos

12)1(

2)12(cos

12)1(

2)12(cos

12)1(64),,,(

222

222222

4/)12(

0

4/)12(

0

4/)12(

03

++

+

++

+

=

+

=

+

=

+

=

Pour illustration, nous supposons une galerie de dimensions l = 1000 m, h = b = 5 m et Ti = 400C. La diffusivit thermique ( ) de leau est environ 1.510-7 m2/sec. La figure ci-dessous montre la rsorption de la diffrence de temprature dans le temps. Lorigine des coordonnes (x,y,z) est situe au centre de la galerie.

Figure 1. Diminution de T entre la roche et leau en fonction du temps

Dans cet exemple, lquilibre des tempratures sera atteint au bout de 6 ans, ce qui fixe lordre de grandeur du temps de latence entre lennoyage et lexploitation. Ce temps pourrait tre ventuellement plus court si lon suppose lexistence de courant de convection lintrieur de la galerie.

2.2. REINJECTION

Le fonctionnement en doublet (retour deau dans le rservoir) est le processus dexploitation le plus courant en gothermie basse enthalpie. En ce qui concerne leau des mines cette rinjection a pour objectifs dune part dviter la pollution en surface puisquen gnral leau pompe au fond contient des lments toxiques dissouts qui ne peuvent pas tre rejets dans la nature, et dautre part de maintenir lquilibre hydromcanique du rservoir.



Du point de vu thermique, la rinjection dans le rservoir de leau dont la temprature a t abaisse pose des problmes srieux au niveau de la prennit de lexploitation. En effet, cette eau froide peut circuler rapidement travers le rseau des galeries et des puits pour atteindre la zone de pompage et produire ainsi une chute de temprature. Ds lors, il est important didentifier les connectivits au sein du rservoir de manire choisir un point de rinjection qui empche une propagation trop rapide du front froid. Ce problme dpend bien entendu de chaque site et ne pas tre rsolu de faon globale. Des essais de traceur et des calculs numriques bass sur la gomtrie relle de la mine sont ncessaires pour valuer le champ dexploitation adquat. Cependant, une approche analytique simplifie peut apporter des renseignements utiles sur le comportement du systme.

Considrons un problme dcoulement unidimensionnel dans un milieu poreux entre un point dinjection et un point de pompage. La variation de la temprature le long du circuit peut tre dduite de la solution propose par Bodvarsson, Pruess and Lippmann (1985) qui scrit sous la forme :

(5)

=

>

=

xtsiTtT

xtsixtqC

hxerfTTqqTxtT

eipw

ip

i

0

00

)(

)(1)(),(

Avec:

qi et qp dbit dinjection et de production respectivement (dans le cas dun circuit compltement ferm qi = qp = q),

Ti temprature dinjection, T0 - temprature initiale du reservoir,

Conductivit thermique quivalente du milieu. BABA

s +

=2

o : 12 +=w

sA

et 1=w

sB

ws et conductivit thermique de la matrice

solide et de leau respectivement, la porosit du milieu

h lpaisseur du circuit et x une position le long de laxe du circuit.

dpend de la capacit thermique volumique du milieu () dfini

parbhpw

=

Cq, o: )1( += psspww CC , ws et densit du solide et




CetCde leau respectivement, capacit calorifique du solide et de leau respectivement.

pwps

e diffusivit quivalente e =

La valeur de la porosit dtermine la nature de la zone considre ( = 1 pour une galerie).

Pour illustration, nous calculons le temps ncessaire pour que linjection dune eau froide influence la temprature au point de pompage. Pour cela nous considrons que les points de pompage et dinjection sont spars par un rseau de galerie de 20km de long ayant une section de 25m2 (5m*5m). Au point dinjection, la temprature de leau est de 20C et au point de pompage de 50C. Le dbit est fix 100m3/heure.

La figure 2 montre la variation de la temprature dans le temps au point de pompage.

Temps (anne)

Figure 2. Variation de temprature au point de pompage en fonction du temps

La temprature commence chuter au bout dun temps trs court (environ 100 jours dexploitation). Ce calcul simple montre limportance de la zone dinjection qui doit tre choisi de manire viter des connections directes avec la zone de production. Une galerie isole ou une zone remblaye loin du point de pompage pourrait convenir cet effet.


3. Choix et configuration du site minier pour la modlisation

3.1. CHOIX DUN SITE

Les coulements et le transfert de chaleur dans une mine sont fortement dpendants du rseau de galeries engendr par lexploitation du minerai. Ces dernires crent des communications directes dun point un autre de la mine par transmission immdiate des pressions. Elles sont hydrauliquement plus conductrices que la roche du houiller ou des veines de charbon exploites puis remblayes. Lutilisation gothermique de la chaleur dans les mines est donc un cas plus complexe que dans un aquifre ou les vitesses dcoulement sont faibles (infrieures 1 m/an). En effet dans le cas dun fonctionnement en doublet (pas de rejet en surface possible) il est ncessaire de bien choisir le point de pompage et de rinjection pour viter tout refroidissement prmatur de leau au point de pompage. En effet le transport de la chaleur se fait essentiellement par leau en mouvement d aux gradients de pression induits artificiellement par le pompage et linjection et dans les galeries. Pour valuer par modlisation la dure dexploitation envisageable pour un dbit spcifique c'est--dire au bout de combien de temps la temprature va commencer chuter et comment (rapidement ou graduellement), il est ncessaire de raliser une tude spcifique au site. En effet, contrairement au cas dun aquifre homogne o il est possible destimer analytiquement le temps au bout duquel la premire particule deau froide rinjecte arrive au puits de production, en fonction du dbit, de la distance entre les deux puits et de lpaisseur de laquifre, ceci nest plus possible pour un rservoir minier constitu de plusieurs niveaux de galeries en rseau. Un modle doit tre ralis pour chaque site identifi car celui-ci est bien sr spcifique pour un site donn o le rseau de galerie et les connexions entre galeries sont diffrents. Ce modle doit tre associ un essai de traage qui permettra de vrifier le dplacement du traceur dans le rseau de galeries qui sera aussi celui du front thermique et de corriger ou affiner le modle.

A ce stade du projet, un inventaire des sites possibles pour une utilisation gothermique a t ralis (cf. rapport BRGM/RP-56096-FR), il dcrit les mines de charbon de Lorraine qui possdent un puits dont la profondeur est suprieure 800 m, ainsi que des diffrents rseaux de chaleurs implants sur le secteur. Lemprise gographique de lexploitation minire stale sur un peu moins de 30 km de longueur et 20 km de largeur et se partage en trois grands secteurs avec louest la concession de la Houve, au centre la concession de Sarre et Moselle et lest la concession de Wendel. La carte du site avec lensemble des concessions minires et leurs puits est donne en annexe 1.

Sagissant dun projet de prfaisabilit pour implanter un site pilote, nous avons choisi pour site modle la concession minire de Vouters stendant le long de la faille de




Hombourg sur 6 km de long et 1,5 km de large (cf. carte annexe 1) et prsentant les caractristiques intressantes suivantes :

- Deux puits profonds encore accessibles partir de la surface par des conduites et recoupant une galerie 1250 m de profondeur (puits Vouters 2 et Cuvelette Nord)

- Un rseau de chaleur existant en surface (socit SODEVAR) proximit des puits.

- Un volume deau exploitable de 40,2 Mm3.ci qui reprsente 26 % du volume ennoy total.

3.2. CONFIGURATION DU SITE

La figure de lannexe 2 reprsente une perspective isomtrique du rseau de galerie du champ dexploitation Vouters. Ce dernier est constitu de plusieurs niveaux de galeries horizontales subhorizontales allant de la profondeur 153 m jusqu la profondeur 1250 m. Ces dernires sont entre coupes par les dressants de charbon combls par du sable qui sont obliques de 3 5 m dpaisseur. Charbonnages de France a mis disposition lensemble des plans Autocad des tages exploits avec les galeries et les traces des veines de charbon en projection horizontale, ces derniers sont donns dans lannexe 3 pour les principaux niveaux. Le champ modliser est complexe du fait :

- Du nombre lev de niveaux exploits dans la direction verticale,

- De la faible section des galeries de 10 20 m2,

- De la gomtrie des dressants de charbon qui sont obliques avec une grande longueur et largeur (suprieures 100 m) mais dpaisseur mince (de 2 5 m),

- De la prsence de roche des grs du houiller intacte ou fissure entre les panneaux de charbon.

De ce fait pour la modlisation on a distingu deux milieux quivalents :

- Les galeries non remblayes

- La matrice poreuse constitue des veines de charbon remblayes et de la roche du houiller non exploite


4. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du puits Vouters

4.1. PRINCIPES DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU

Cette modlisation lchelle du puits est primordiale pour avoir une estimation de la temprature de leau qui stablie dans le puits selon sa profondeur et son diamtre lorsque lon a une estimation du gradient gothermique de la roche encaissante. Les mcanismes de transfert de chaleur dans le puits sont :

- la conduction sous leffet dun gradient de temprature (loi de Fourier),

- la convection naturelle sous leffet dune modification de la densit du fluide en fonction de la temprature qui entraine sa mise en mouvement (tat convectif, pousse dArchimde).

Nous considrons ici que la variation de salinit en fonction de la profondeur dans le puits est faible (quelques mg/l) compare la variation de temprature sur la hauteur de la colonne deau (40 C). Laugmentation de la salinit en fonction de la profondeur (qui est observ en gnral) a toujours un effet stabilisant compar au gradient gothermique qui a un effet potentiellement instable du fait que leau la plus chaude et donc la moins dense est surmonte par une eau plus froide et donc plus dense. Ce dernier a donc pour effet de mlanger leau lintrieur du puits et donc dhomogniser la temprature de leau lintrieur du puits. Nanmoins ce mlange peut tre local et est fonction du rapport rayon du puits sur hauteur.

Les facteurs damortissement du mouvement convectif sont la friction visqueuse et la diffusion de la chaleur. On se trouve ainsi dans une situation effet de seuil :

- soit le gradient de densit induit par la diffrence de temprature entre le bas et le haut est insuffisant et le fluide reste au repos (tat conductif, se comporte comme un solide qui transmet la chaleur par conduction thermique),

- soit le gradient de densit est suffisamment important et il y a naissance dun mouvement convectif qui permet de transporter la chaleur du bas vers le haut plus efficacement que la conduction seule.

Il est noter que ltat convectif du fluide ne se dclenche que pour une valeur critique du nombre de Rayleigh du fluide :

(6)

TghRa =3



O est la dilatation thermique de leau, g lacclration de la pesanteur, T la diffrence de temprature, h la hauteur deau, la viscosit cinmatique et la diffusivit thermique.

Le nombre de Rayleigh critique est notamment fonction du rapport = r/h pour une configuration cylindrique o r est le rayon du puits et h sa hauteur deau. La valeur de ce seuil (passage dun tat conductif un tat convectif) est dautant plus leve que le rapport est petit. (r


suivant la direction z avec un gradient trs faible (de lordre de 2 C entre la base de la colonne deau et le fond) et tend vers 35 C aprs 140 ans de simulation. La temprature dans la galerie tend vers 55 C environ 600m du puits mais leau de la galerie est refroidie par celle du puits et chute brutalement et linairement proximit du puits. Ainsi dans cette configuration le calcul numrique montre que la convection induit un mlange sur toute la colonne deau avec une temprature squilibrant entre la temprature du haut et du fond de puits et par consquent la temprature en fond de puits reste froide compare celle de la roche cette profondeur.

La figure 6 reprsente la temprature sur un plan de coupe passant par laxe du puits et de la galerie. Elle montre de manire indicative lhomognisation de la temprature dans le puits except proche de la paroi et linfluence de cette homognisation sur la baisse de temprature dans la galerie qui recoupe le puits au fond.

6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C

Geothermal gradient 0.03C/m

6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C

Geothermal gradient 0.03C/m 1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

6.65 m S 44 m2

4.5 m S 20 m2

1200 m

2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


2000 m

Production well

Gallery T wall 55 C


Figure 3 : Configuration et maillage du puits de section 44 m2et de la galerie de section 20 m2



Top

Geothermal gradient1 year5 years10 years20 years30 years40 years50 years60 years100 years140 years

Bottom

Top

Top


Top



Bottom

Top

Figure 4 : Profil de temprature sur laxe du puits de 7,5 m de diamtre

Figure 5 : Profil de temprature sur laxe de la gallerie de 4,5 m de cot (coupe le puits en 0)



Figure 6 : Tempratures sur un plan de coupe sur laxe du puits et de la galerie

4.2.2. Second cas : puits de diamtre 0,8 m

Techniquement cette configuration peut tre obtenue en descendant un tube de 0,8 m de diamtre et en remplissant de sable lespace annulaire afin que la transmission du gradient gothermique se fasse la paroi du conduit de 0,8 m (cf. schma figure 7). Dans cette seconde configuration, la section du puits est 0,5 m2, et le nouveau maillage puits-galerie comporte environ 1 391 000 lments ttradriques avec un rapport rayon du puis hauteur de lordre de 0,0003. Le nombre de Rayleigh critique est de 2,7.1016. Les conditions limites et initiales restent inchanges.

La figure 8 montre le profil axial de temprature qui stablit dans le puits. Aprs 1 mois de simulation (courbe rouge), la temprature se rchauffe trs rapidement en particulier lintrieur du puits de diamtre de 0,8 m d principalement la convection libre. Aprs 10 ans de simulation, on observe un ralentissement de ce phnomne et la diffusion devient la force motrice du transfert de chaleur. Au bout de 60 ans de



simulation, la temprature dans le puits atteint quasiment le gradient gothermique de la roche avoisinante et la temprature dans la galerie est voisine de 55 C. En conclusion, dans cette seconde configuration il ny a pas de mouvement de fluide induit sur toute la hauteur du puits mais un mouvement convectif localis qui permet de rchauffer rapidement leau dans le puits la temprature de la roche encaissante pour une profondeur donne.

7.5 m 0.8 m

Sand

7.5 m 0.8 m

Sand

7.5 m

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

0.8 m

Sand

7.5 m 0.8 m

Sand

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

7.5 m 0.8 m

Sand

7.5 m 0.8 m

Sand

7.5 m

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

0.8 m

Sand

7.5 m 0.8 m

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

4.5 m S 20 m2

0.71 m S 0.5 m2

Sand

Figure 7 : Configuration et maillage du puits de section 0,5 m2 et de la galerie de section 20 m2



Geothermal gradient

1year and 3 months

Top

1 month

5 years10 years15 years20 years25 years30 years60 years

Bottom

Geothermal gradient

1year and 3 months

Top

1 month


Bottom

Geothermal gradient

1year and 3 months

Top

1 month


1 month


Bottom

Figure 8 : Profil de temprature sur laxe du puits

4.3. PROFIL DE TEMPERATURE DE LEAU DANS LE PUITS A LEQUILIBRE THERMIQUE AVEC LA ROCHE LORSQUE CELUI-CI EST EN PRODUCTION (CONVECTION FORCEE)

4.3.1. Cas dun dbit de production de 100 m3/h (diamtre du puits : 800 mm)

Ici nous tudions le comportement thermique dans le puits lorsquil est en production avec un dbit de 100 m3/h ce qui correspondrait une nergie fournie denviron 20 GWh par an pour une chaleur extraite de 20C. La figure 9 montre lvolution de la temprature dans le puits en transitoire pendant 10 ans. Cette dernire est peu modifie au cours du temps, il ny a donc pas ou peu de mlange qui se produit entre leau pompe au fond du puits dans la galerie et celle plus haut qui est une temprature plus basse du fait du gradient gothermique.



Initial state1 year2 years5 years10 years

Bottom

Top




Bottom

Top

Figure 9 : Evolution de la temprature dans le puits pour un dbit de production de 100 m3/h

4.3.2. Cas dun dbit de production de 600 m3/h (diamtre du puits : 800 mm)

Dans le cas dun dbit de production de 600 m3/h qui correspondrait une nergie fournie denviron 122 GWh par an pour une chaleur extraite de 20C, on observe dans le puits une chute de temprature qui est dautant plus faible lorsquon sloigne de la zone de pompage (figure 10). Au bout de 5 ans la temprature dans le puits semble se stabiliser et la diminution maximale de temprature observe est denviron 5 C. Cette chute de temprature est uniquement due la convection force sexerant sur la colonne deau dans le puits au dessus du point de pompage, elle suppose que la galerie dans laquelle est extraite leau est toujours alimente par une eau avoisinante de 50 C (pas de refroidissement due des venues deau plus froides dtages suprieurs).




Initial state

1 year2 years5 years10 years

1 month

Initial state

1 year2 years5 years10 years

1 month

Bottom

Top

Figure 10 : Evolution de la temprature dans le puits pour un dbit de production de 600 m3/h


5. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du rservoir minier

5.1. PRINCIPE DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU

Dans cette deuxime partie nous tudions le comportement hydrodynamique et le transfert de chaleur lchelle de la mine. Du point de vue de lhydrodynamique deux types de rgime de transport coexistent dans la mine :

- Un coulement rapide dans les galeries de grande conductivit hydraulique,

- Un coulement plus lent dans la matrice poreuse comprenant les veines de charbon remblayes et la roche de conductivit hydraulique beaucoup plus faible.

Pour tenir compte de cette caractristique particulire de lexploitation minire, nous utilisons un code de calcul type milieu poreux (MARTHE, BRGM) avec les critres conditionnels suivant :

- Un fort contraste de permabilit entre les galeries de mine et la matrice poreuse (de lordre de 105),

- Une porosit de galerie telle que la section ouverte lcoulement correspond la section relle des galeries (entre 10 et 20 m2).

Ce code de calcul permet la rsolution des quations de Darcy et de lnergie pour des coulements en milieu poreux.

Le modle maill de lensemble du rservoir minier de Vouters est constitu de mailles de section carre de 20 m sur 20 m dans le plan (x,y) avec une subdivision verticale de 54 couches dpaisseur variables, les plus fines tant de 4 m pour les tages contenant des galeries. Au total le modle du rservoir minier comprend 2 129 814 mailles rectangulaires dont 1 143 450 mailles actives. La figure 11 ci-aprs donne une vue 3D de la concession de Vouters avec une coloration gradue par couche verticale. La figure 12 montre une vue en perspective pour 3 tages (420, 826 et 1250) avec le rseau de galeries reprsent en rouge.



6 km

1,5 km 1,5 km

N

6 km

1,5 km 1,5 km

N

6 km

1,5 km 1,5 km

6 km

1,5 km 1,5 km

N

Figure 11 : Bloc 3D de la concession Vouters (Marthe)

tage 420

tage 826

tage 1250

Cuvelette Nord Vouters

Z tage 420

tage 826

tage 1250

tage 420

tage 826

tage 1250

Cuvelette Nord Vouters

Z

Figure 12 : Vue perspective de trois niveaux de galleries (Marthe)



5.2. CALCUL DU TEMPS DE MISE A LEQUILIBRE THERMIQUE DE LEAU AVEC LA ROCHE DANS UNE GALERIE

Nous avons dabord tudi combien de temps il est ncessaire pour que leau dans une galerie (sans coulement) arrive lquilibre thermique avec la roche encaissante. Deux types de calcul sont raliss : ltude du transfert thermique par diffusion seule et ltude du transfert thermique par diffusion et convection d la variation de densit de fluide en fonction de la temprature. La galerie est horizontale avec une section de 55 m2. La temprature de leau dans la galerie (porosit de 0.99 et conductivit hydraulique de 0.1 m/s) est initialement 15 C et la temprature de la roche avoisinante (porosit de 0.1 et permabilit de 10-6 m/s) est 52 C une profondeur de 1230 m. Les rsultats numriques indiquent que leau au milieu de la galerie atteint 90% de la temprature de la roche au bout de 9 ans pour de la diffusion pure et au bout de 4,5 ans pour de la diffusion couple avec de la convection due leffet de densit (figure 13). Ces rsultats sont du mme ordre de grandeur que ceux trouvs par un calcul analytique (cf. chapitre 2).

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50 60

temps (annes)

tem

pra

ture

(C)

densit=f(T)densit=cste90%

Figure 13 : Temps de chauffe de leau au centre de la galerie



5.3. CALCUL DU TEMPS DE REFROIDISSEMENT AU PUITS DE PRODUCTION PAR FONCTIONNEMENT DUN DOUBLET INJECTION PRODUCTION

5.3.1. Injection au puits Cuvelette Nord (tage 420) et production au puits Vouters (tage 1250)

La premire configuration retenue est celle o lon pompe dans la galerie 1250 m de profondeur (- 1030 m NGF) au droit du puits Vouters et o on rinjecte leau une temprature de 20 C la profondeur 420 m (-200 m NGF) dans le puits Cuvelette Nord (voir schma figure 14).

Le puits Vouters tant rest ouvert sur toute sa hauteur (except un bouchon disolement en surface), il faudra prvoir disoler hydrauliquement et thermiquement ltage 1250 des tages suprieurs pour viter tout refroidissement brutal et prmatur en vu dun site pilote. Ainsi pour les calculs, on suppose que le puits Vouters est combl sur toute sa hauteur (except la canalisation de 800 mm pour le passage de la pompe au fond du puits) pour viter les communications directes depuis les tages suprieurs.

PuitsCuveletteNord

Puits Vouters 2Injection

Production

PuitsCuveletteNord


Production

Figure 14 : Schma 3D simplifi des niveaux de galeries (source : charbonnages de France) avec positionnement du doublet gothermique : 1re configuration



a) Influence du dbit de pompage-injection

Deux dbits pour le doublet production-rinjection ont t tests : un dbit de 100 m3/h et un dbit de 600 m3/h. Il sagit respectivement du dbit minimum et maximum qui pourra tre mis en uvre. Les figures 15 et 16 montrent lvolution de la temprature au point de production respectivement pendant un an et 60 ans de fonctionnement du doublet. Les rsultats du calcul numrique montre que :

- Pour un dbit dexploitation de 100 m3/h, la temprature dans le puits commence chuter au bout de 15 jours, cette baisse de temprature est de 5C au bout de 6 mois de fonctionnement en continu,

- Pour un dbit dexploitation de 600 m3/h, la chute de temprature dans le puits est quasi immdiate (premiers jours) et plus accentue, elle est de 13 C au bout de 6 mois.

La chute de temprature tend se stabiliser au bout de 2 4 ans suivant le dbit (figure 16). Le tableau 1 chiffre la baisse de temprature pour chacun des dbits pour 1 mois, 3 mois, 6 mois, 1 an, 2 ans, 5 ans, 10 ans, 30 ans et 60 ans de fonctionnement du doublet.

La figure 17 reprsente la chute de temprature pour un dbit de 600 m3/h en fonction de la chute de temprature pour un dbit de 100 m3/h. Lanalyse bi varie de ces deux variables montre au dbut un ajustement non linaire type polynomiale avec ensuite une tendance linaire lorsque la chute de temprature se stabilise.

25

30

35

40

45

50

55

0 50 100 150 200 250 300 350 400

dure (jours)

tem

pra

ture

(C

)

dbit de 100 m3/hdbit de 600 m3/h

Figure 15 : Evolution de la temprature au point de production sur un an pour un dbit de 100 et 600 m3/h



25

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50 60 70

dure (annes)

tem

pra

ture

(C

)

dbit de 100 m3/hdbit de 600 m3/h

Figure 16 : Evolution de la temprature au point de production sur 60 ans pour un dbit de 100 et 600 m3/h

100 m3/h 600 m3/h

1 mois 0.34 5.4

3 mois 2.9 10.1

6 mois 5.1 13

1 an 7.2 15.8

2 ans 9.3 17

5 ans 10.9 17.5

10 ans 11.5 17.9

30 ans 12.4 18.5

60 ans 13.2 19

Tableau 1 : Baisse de temprature (C) au point de production pour un dbit de 100 et 600 m3/h



y = 0.0106x3 - 0.3234x2 + 3.7761x + 1.1906R2 = 0.9962

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14

y = 0.6315x + 10.661R2 = 0.9997

16.5

17

17.5

18

18.5

19

19.5

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5

y = 0.0106x3 - 0.3234x2 + 3.7761x + 1.1906R2 = 0.9962

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14

y = 0.6315x + 10.661R2 = 0.9997

16.5

17

17.5

18

18.5

19

19.5

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5

Figure 17 : Analyse bivarie entre les variables (X,Y) o X et Y reprsentent respectivement la baisse de temprature pour un dbit de 100 m3/h et 600 m3/h

b) Influence de la permabilit de la matrice poreuse et de la galerie et du rapport des permabilits

Le second paramtre important qui influe directement sur les coulements et lavance du front thermique est la permabilit leau du milieu. Les simulations ci-dessus considrent une permabilit de galerie de 0,1 m/s et une permabilit de matrice de 10-6 m/s. Cette dernire dfinie laptitude du milieu se laisser traverser par leau sous



leffet dun gradient de pression. La permabilit de la matrice est une moyenne entre celle des grs du Houiller (estime de lordre de 10-9 10-7) et celle du sable utilis comme matriau de comblement des panneaux de charbon (de lordre de 10-4). La permabilit de la galerie a t fixe 0,1 m/s pour avoir un contraste fort avec la matrice mais na pas dinterprtation physique puisque cette dernire est vide (pas de matriau). Nous avons tudi la sensibilit des valeurs et du rapport des permabilits entre la galerie et la matrice poreuse sur le changement de temprature au point de production pour un dbit de 600 m3/h (figure 18). Dans un premier temps nous avons multipli la permabilit de la galerie et de la matrice par un facteur 10 en conservant le mme rapport de permabilit soit une permabilit de galerie de 1 m/s et de matrice de 10-5 m/s. Dans ce cas il ny a pas de modifications sur lvolution de la temprature. Dans un second temps, nous avons tudi leffet dun changement du rapport de permabilit en conservant la permabilit de galerie 1 m/s et en divisant ou multipliant par un facteur 10 la permabilit de la matrice soit une permabilit de 10-6 et 10-4 m/s. Les rsultats montrent que pour une matrice 10 fois moins permable (10-6 m/s), la baisse de temprature observe est plus importante de 2C en moyenne. Pour une matrice 10 fois plus permable (10-4 m/s), la baisse de temprature observe est moins importante de 6C en moyenne. Ceci est d aux changes convectifs entre leau contenu dans la matrice poreuse lquilibre thermique avec la roche et celle de la galerie, qui dans le cas dun milieu trs peu permable sont trs limits alors que pour un milieu poreux plus permable leau circulant dans la galerie est chauffe par celle provenant de la matrice poreuse.

25

30

35

40

45

50

55

0 50 100 150 200 250 300 350 400

dure (jours)

tem

pra

ture

(C

)

k=1E-6 (kg=0.1)k=1E-5 (kg=1)

k=1E-6 (kg=1)k=1E-4 (kg=1)

Figure 18 : Influence de la permabilit de la matrice sur la baisse de temprature au point de production (dbit de 600 m3/h)



5.3.2. Injection et production au puits Cuvelette Nord (tage 420 et tage 1250)

Dans cette seconde configuration on pompe dans la galerie 1250 m de profondeur (- 1030 m NGF) au droit du puits Cuvelette Nord et on rinjecte leau une temprature de 20 C ltage 420 (-200 m NGF) (voir schma figure 19). Le puits est btonn sur toute sa hauteur except pour le passage de canalisations pour le captage de gaz. Il ny a donc pas de communication directe par le puits entre ltage 420 et 1250. Les figures 20 et 21 montrent les rsultats de lvolution de la temprature au point de pompage au puits Cuvelette Nord compare celle au puits Vouters pour les deux valeurs de dbits testes pour une dure de 1 an et 60 ans respectivement. Dans un premier temps la chute de temprature observe est plus amortie (figure 20) mais ensuite devient plus importante de lordre de 2 C (figure 21). Le comportement reste nanmoins semblable avec une baisse la plus forte de la temprature sur les premiers mois de pompage puis une tendance la stabilisation au bout de quelques annes.

Les cartes de lannexe 4 montrent le champ de temprature calcul au bout dun an pour les tages 420 (injection) et 1250 (production) pour les deux configurations tudies 1) injection Cuvelette tage 420 pompage Vouters tage 1250 et 2) injection Cuvelette tage 420 pompage Cuvelette tage 1250. Elles montrent en particulier que les variations de temprature se font essentiellement dans les galeries et que la temprature de leau dans le milieu poreux avoisinant est faiblement modifie et proximit des galeries ou des bures.



PuitsCuveletteNord


Production

PuitsCuveletteNord


Production

Figure 19 : Schma 3D simplifi des niveaux de galeries (source : charbonnages de France) avec positionnement du doublet gothermique : 2me configuration



25

30

35

40

45

50

55

0 50 100 150 200 250 300 350 400

dure (jours)

tem

pra

ture

(C

)

dbit de 100 m3/h(pompage Cuvelette)dbit de 600 m3/h(pompage Cuvelette)dbit de 100 m3/h(pompage Vouters)dbit de 600 m3/h(pompage Vouters)

Figure 20 : Evolution de la temprature au point de production (cas de Cuvelette ligne continue et Vouters ligne pointille) pour un dbit de 100 et 600 m3/h pendant un an

25

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50 60 7dure (annes)

tem

pra

ture

(C

)

0

dbit de 100 m3/h (Cuvelette)dbit de 100 m3/h (Vouters)dbit de 600 m3/h (Cuvelette)dbit de 600 m3/h (Vouters)

Figure 21 : Evolution de la temprature au point de production (cas de Cuvelette ligne continue et Vouters ligne pointille) pour un dbit de 100 et 600 m3/h pendant 60 ans




5.4. ETUDE DE CYCLES DE FONCTIONNEMENT ET DARRET DU DOUBLET GEOTHERMIQUE SUR LEVOLUTION DE LE TEMPERATURE DANS LA ZONE DE PRODUCTION

Afin daccroitre la dure de vie du systme de doublet gothermique c'est--dire de limiter la baisse de temprature dans la zone de production, il est ncessaire davoir des priodes darrt des puits pour que la temprature dans la zone de production et de rinjection puisse se rchauffer nouveau. De ce fait, nous avons tudi limpact sur lvolution de la temprature au puits de production de 5 cycles dune dure de 1 an chacun o le doublet gothermique fonctionne 6 mois puis est stopp 6 mois. La figure 22 montre pour les deux dbits tests et pour la seconde configuration (pompage et rinjection au puits Cuvelette), lvolution de la temprature dans la zone de production compare celle au cas dun fonctionnement en continu. Dans le cas du faible dbit (100 m3/h), le gain de temprature dans la phase darrt du doublet est de lordre de 2C et la temprature la fin de la priode de fonctionnement reste de lordre de 3 C suprieure celle pour un fonctionnement du doublet en continu. Dans le cas dun grand dbit (600 m3/h), le gain de temprature pendant la phase darrt du systme est de lordre de 4 C, et la temprature en fin de phase de fonctionnement reste suprieure denviron 1,5 C celle dun fonctionnement en continu. Ces rsultats montrent que la temprature se stabilise une valeur plus grande pour un fonctionnement par cycles et que le gain en temprature est fonction notamment du dbit du doublet mais aussi de la dure du cycle de fonctionnement qui ne doit pas dpasser 6 mois pour tre efficace.

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50 60dure (mois)

tem

pera

ture

(C

)

100 m3/h600 m3/h

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50 60dure (mois)

tem

pera

ture

(C

)

100 m3/h600 m3/h

C

Figure 22 : Temprature dans la zone de production pour un fonctionnement par cycle (ligne continu) compare un fonctionnement en continu (ligne pointille)


6. Conclusion

Ce rapport prsente les diffrents aspects de la modlisation lchelle dun rservoir minier en vue de son utilisation pour un projet de gothermie basse enthalpie (30 C 90 C). Les principaux rsultats sont :

- Ltude de limpact du rapport rayon du puits sur hauteur de la colonne deau sur la temprature qui stablit dans le puits et notamment au fond du puits o sera pomp leau. Les rsultats du calcul numrique montrent quun rapport de lordre 0,003 (puits de diamtre 7,5 m et de hauteur 1200 m) conduit une homognisation de la temprature dans le puits avec un faible gradient thermique alors quun rapport 10 fois infrieur (forage de diamtre 10 fois plus petit pour une mme hauteur deau) est favorable ltablissement dun gradient dans le puits proche du gradient gothermique de lencaissant.

- Ltude de limpact des circulations de leau dans le rseau de galeries entre le point de rinjection et de production sur la baisse de temprature engendre dans la zone de production. Les rsultats montrent que la chute de temprature augmente avec le dbit de production-injection avec une baisse maximum les premiers mois et qui se stabilise par la suite. Par ailleurs la permabilit de la roche non exploite autour des galeries par lesquelles circule leau principalement peut contribuer limiter la baisse de temprature si cette dernire est suffisante pour permettre des changes convectifs entre leau chaude contenu dans la porosit de la roche et leau refroidie des galeries.

- Ltude de lamlioration du rendement thermique du doublet de puits pour un fonctionnement par cycles de marche et darrt. Les rsultats indiquent que pour des cycles successifs de fonctionnement de 6 mois correspondant une utilisation hivernale puis darrt du systme pendant 6 mois durant la priode estivale, le gain de temprature est de lordre de 3 C pour un dbit de 100 m3/h et de 1,5 C pour un dbit de 600 m3/h par rapport une utilisation normale en continu.

En vue dun projet de faisabilit, cette modlisation numrique devra tre complte par des mesures sur le terrain (temprature en fond de puits, pression, conductivit..) ainsi que des essais type pompage et traage qui permettront daffiner lexactitude du modle.




7. Bibliographie

Bodvarsson, G.S., Pruess, K. and Lippmann, M. (1985). Injection and Energy Recovery in Fractured Geothermal Reservoirs, Soc. Pet. Eng. J., 25 (2), 303-312. LBL-15344.

Carslaw, H. S. & Jaeger, J.C. (1959). Conduction of Heat in Solids, Oxford University Press, 2nd Ed.

Cartannaz C., Fourniguet G. (2008). PROJET MINEWATER Descriptif technique des puits (profondeur suprieure 800 m) du Bassin houiller lorrain appliqu la prfaisabilit gothermique. BRGM/RP-56096-FR, 67 p., 29 fig., 3 annexes.

Love, A. J., C. T. Simmons, and D. A. Nield (2007). Double-diffusive convection in groundwater wells, Water Resour. Res., 43, W08428, doi:10.1029/2007WR006001



Annexe 1

Emprise des travaux miniers et localisation du champ dexploitation Vouters



10 km

N


Annexe 2

Perspective isomtrique du champ Vouters




Annexe 3

Projections horizontales des galeries et dressants pour chaque niveau exploit


Etage 153

Etage 193

Etage 249-265

Etage 315

500 m

500 m

N

Etage 153

Etage 193

Etage 249-265

Etage 315

Etage 153

Etage 193

Etage 249-265

Etage 315

500 m

500 m

500 m

500 m

N



Etage 384

Etage 420

Etage 430-453

Etage 499-505

500 m

500 m

N

Etage 384

Etage 420

Etage 430-453

Etage 499-505

Etage 384

Etage 420

Etage 430-453

Etage 499-505

500 m

500 m

500 m

500 m

N



Etage 545

Etage 592-593

Etage 686

Etage 826

500 m

500 m

N

Etage 545

Etage 592-593

Etage 686

Etage 826

Etage 545

Etage 592-593

Etage 686

Etage 826

500 m

500 m

500 m

500 m

N




Etage 1036

Etage 1146

Etage 1250

Etage 877-927-955

500 m

500 m

N

Etage 1036

Etage 1146

Etage 1250

Etage 877-927-955

Etage 1036

Etage 1146

Etage 1250

Etage 877-927-955

500 m

500 m

500 m

500 m

N


Annexe 4

Cartes du champ de temprature pour les tages 420 et 1250 pour les deux configurations

tudies




tage 420: injection Cuvelette, dbit 100 m3/h tage 420: injection Cuvelette, dbit 600 m3/h

tage 1250: production Vouters, dbit 100 m3/h tage 1250: production Vouters, dbit 600 m3/h

400 mN


tage 1250: production Vouters, dbit 100 m3/h tage 1250: production Vouters, dbit 600 m3/h

400 m400 mNN



tage 1250: production Cuvelette, dbit 100 m3/h tage 1250: production Cuvelette, dbit 600 m3/h

400 mN





400 mNN


Centre scientifique et technique

Service EAU 3, avenue Claude-Guillemin

BP 36009 45060 Orlans Cedex 2 France Tl. : 02 38 64 34 34

Projet MINEWATER. Etude de prfaisabilit - Modlisation hydrodynamique et thermique du rservoir ennoy du Bassin Houiller LorrainProjet MINEWATER. Etude de prfaisabilit - Modlisation hydrodynamique et thermique du rservoir ennoy du Bassin Houiller Lorrain1. Introduction 2. Calculs analytiques thoriques2.1. RECONSTITUTION DU CHAMP DE TEMPERATURE2.2. REINJECTION

3. Choix et configuration du site minier pour la modlisation3.1. CHOIX DUN SITE 3.2. CONFIGURATION DU SITE

4. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du puits Vouters4.1. PRINCIPES DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU4.2. PROFIL DE TEMPERATURE DE LEAU DANS LE PUITS A LEQUILIBRE THERMIQUE AVEC LA ROCHE (CONVECTION NATURELLE ET CONDUCTION) 4.2.1. Premier cas: puits de diamtre 7,5 m4.2.2. Second cas: puits de diamtre 0,8 m

4.3. PROFIL DE TEMPERATURE DE LEAU DANS LE PUITS A LEQUILIBRE THERMIQUE AVEC LA ROCHE LORSQUE CELUI-CI EST EN PRODUCTION (CONVECTION FORCEE) 4.3.1. Cas dun dbit de production de 100 m3/h (diamtre du puits: 800 mm)4.3.2. Cas dun dbit de production de 600 m3/h (diamtre du puits: 800 mm)

5. Modlisation hydrodynamique et thermique lchelle du rservoir minier5.1. PRINCIPE DE LA MODELISATION ET MECANISMES MIS EN JEU5.2. CALCUL DU TEMPS DE MISE A LEQUILIBRE THERMIQUE DE LEAU AVEC LA ROCHE DANS UNE GALERIE5.3. CALCUL DU TEMPS DE REFROIDISSEMENT AU PUITS DE PRODUCTION PAR FONCTIONNEMENT DUN DOUBLET INJECTION PRODUCTION5.3.1. Injection au puits Cuvelette Nord (tage 420) et production au puits Vouters (tage 1250)a) Influence du dbit de pompage-injectionb) Influence de la permabilit de la matrice poreuse et de la galerie et du rapport des permabilits

5.3.2. Injection et production au puits Cuvelette Nord (tage 420 et tage 1250)

5.4. ETUDE DE CYCLES DE FONCTIONNEMENT ET DARRET DU DOUBLET GEOTHERMIQUE SUR LEVOLUTION DE LE TEMPERATURE DANS LA ZONE DE PRODUCTION

6. Conclusion7. Bibliographie

Documents

Projet « MINEWATER ». Etude de préfaisabilité - Modélisation