Étude physico-chimique des fluides produits par la ... · d’optimisation global essaims de particules (PSO) pour résoudre (sans modèle à priori ou avec modèle à priori) le

mardi 28 janvier 2014

Christelle DIXIT École doctorale de l’Université Antilles-Guyane

Laboratoire de Recherche en Géosciences et Énergies (EA 4098, UAG) Encadrants: Sarra Gaspard (directrice de thèse), Marie -Lise Bernard et Bernard Sanjuan

Financeurs : ADEME – BRGM

3ème année

Étude physico-chimique des fluides produits par la centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) et

des dépôts susceptibles de se former pendant leur exploitation et leur réinjection dans le sous-sol


Journée des Doctorants

> 2 > 2

Cadre de l’étude

> Champ géothermique de Bouillante • Volcanisme récent (datant ~ 0,5 Ma).

• Réseau de failles développé et connecté

Production d’électricité : 15 MWe ~ 6% de la consommation de l’île.


Nom du service émetteur

> 3

Principaux objectifs:

1. Étudier les mécanismes de formation et la cinétique de précipitation de la silice, dans le contexte spécifique du site de Bouillante, afin de contrôler la précipitation de la silice lors de la réinjection des fluides de production dans le sous-sol et/ou de les valoriser (extraire le maximum de calories ou la silice). 2. Explorer des voies de valorisation de la silice géothermale.

Contexte et Objectifs Détermination de la composition chimique la plus représentative des fluides de production de la centrale géothermique de Bouillante fluide très riche en silice dissoute ~ 600 mg/l). Précipitation de minéraux au cours du dégazage et refroidissement du fluide géothermal précipitation de dépôts solides riches en silice, à la surface des installations.

mardi 28 janvier 2014 > 4

Protocole : expériences sur site et sur fluide réel

Série d’expériences : effet du pH et de T pH de travail: 4, 5, 6, 7, 8 et 9

⇒ Ajustement du pH: solutions HCl et NaOH

Température (fixée) : 25, 50, 75 et 90 °C

⇒ Maintien de T à l’aide d’un bain thermostaté

Mesure de la concentration en SiO2 dissoute par spectrométrie Journée des Doctorants

Point de prélèvement sur le site de Bouillante

Système de refroidissement


Résultats : effet du pH à 25°C

Dépendance de la réaction vis-à-vis du pH : • En milieu acide (pH 4-5): présence d’une période de transition puis

augmentation très lente de la masse de silice précipitée; • En milieu basique (pH 8-9): absence de période de transition; une quantité

max est atteinte très rapidement (- 3h).

pH acide limitant la précipitation

Exploitation et réinjection Échantillon de fluide à la fin d’une expérience réalisée à pH 9.

pH basique favorisant la précipitation

Extraction pour valorisation



Interprétation des résultats

Modèle cinétique générale :

C: concentration en H4SiO4 à t donné (mg/l) Ce: solubilité de SiO2 à T donnée (mg/l) k: constante de vitesse (mol.m-2.s-1) n : ordre de la réaction As = S/V avec S la surface de la SiO2 et V, le volume de solution




> 7

Détermination de l’énergie d’activation de la réaction de précipitation de la silice entre 25 et 90 °C pour extrapolation à des températures supérieures qui concernent l’exploitation de Bouillante (de 160 à 120°C). Prédiction des paramètres cinétiques à ces températures pour estimer le temps que met la silice à précipiter.

Application sur site

Les conditions optimales déterminées (Tmin, pH) seront testées par la suite dans le cadre de la mise en place d’un site pilote utilisant une nouvelle turbine.


Valorisation de la silice géothermale Production de silice géothermale : 400 tonnes d’eau résiduelle contenant 600 mg/l de SiO2 5 tonnes de gel de SiO2 par jour (formation immédiate à 25 °C) pure à 98 - 99%.

Propriétés de surface de la silice : présence des groupes SiOH, surface spécifique et porosité élevées.

Peut fixer et stocker les polluants présents dans l’eau Mise au point d’adsorbants à base de silice pour la dépollution.



Conclusion > Étude de la cinétique de précipitation de la silice • Détermination de l’influence de la température et du pH sur la

cinétique de précipitation, • Calcul des paramètres cinétiques de la réaction, dans le contexte

spécifique de Bouillante,

↪ Détermination des conditions optimales (température et pH) d’extraction des calories et de réinjection du fluide géothermal de Bouillante.

> Valorisation du gel de silice • Valorisation des eaux chaudes de Bouillante et exploitation d’un

co-produit de la production d’électricité,

↪ Exploration de la capacité d’adsorption de la silice pour la dépollution des eaux contaminées.



>Evolution spatio-temporelle des phénomènes d’altération hydrothermale HT en Guadeloupe et les relations altération géothermale / propriété réservoir - Sylvain BRUZAC > Diplôme avant thèse : Master MNE3 (Matériaux Naturels Eau Expertise Environnementale) Université de Poitiers > Ecole doctorale, laboratoire : ED Gay-Lussac, Laboratoire IC2MP, équipe HydrASA, Poitiers > Directeur(s) de thèse et encadrants : Patricia PATRIER (IC2MP), Chrystèle VERATI (Géoazur, Nice), Vincent BOUCHOT (BRGM) > Financeur(s) de la bourse doctorale : Cofinancement ADEME-BRGM > Objectifs de la thèse : -Reconstitution passée et actuelle de l’activité du champ géothermique -Préciser l’organisation spatiale des manifestations hydrothermales à l’échelle de Basse-Terre. -Préciser l’impact des altérations hydrothermales sur les propriétés réservoir. -Préciser les paléoconditions associées aux paragenèses hydrothermales. Nom du service émetteur

Axe III - 2ème année

Etat d’avancement des travaux > Résultats de l’étude minéralogique par DRX et

pétrographique sur lames minces



> 2

> Analyses des éléments traces dans les échantillons de la brèche hydrothermale d’Anse Marsolle


Etat d’avancement des travaux

26 et 27 mars 2013

Modèle conceptuel d’un réservoir de type EGS : application au site géothermal de Soultz-Sous-Forêts Mathilde Loubaud > Diplôme avant thèse : Master II en Sciences de la Terre spécialité Génie Géologique, Génie Civil et Environnement. > Ecole doctorale, laboratoire : Ecole doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur de l’Université Bordeaux 1, laboratoire I2M. > Directrices de thèse : Joëlle Riss (Université Bordeaux 1) et Sylvie Gentier (Direction des Géoressources, BRGM) > Financeur de la bourse doctorale : BRGM > Objectif de la thèse : qualifier les chemins de circulations préférentiels possibles d’un réservoir géothermique faillé à partir de modèles hydrauliques de type DFN intégrant les données in situ de l’exploitation et les connaissances géologiques locales et régionales afin d’optimiser l’exploitation des EGS.


Direction des Géoressources, Division Géothermie

26 et 27 mars 2013


> 2 > 2

> Un modèle hydraulique de réservoir géothermique faillé

Les écoulements sont concentrés dans les zones de failles où ils peuvent être chenalisés ou non.

Les propriétés géométriques (orientation, pendage, longueur, ouverture et densité), hydrauliques (conductivité, emmagasinement) et de transport (dispersivité et porosité) du réseau de failles introduites dans les modèles s’appuient sur: les connaissances de l’histoire tectonique locale et régionale associée à

l’orogénèse hercynienne et à la mise en place du Fossé Rhénan les données in situ (signaux aux puits enregistrés par les tests hydrauliques et

des tests de traçage) la littérature plus spécifique à « l’hydraulique des failles » (en complément à la littérature portant sur les réseaux de fractures)

Les écoulements et le transport sont résolus par le code 3Flo (©Itasca) dans un modèle de type DFN qui consiste en la génération de manière stochastique et/ou déterministe de plans dans l’espace représentant les zones de failles sur lesquels sont générés des réseaux de conduites 1D. Modèle DFN (discret

fracture network)

Un disque = un segment de faille

perméable


> 3 > 2

> Avancement des travaux de thèse

Une première étape (en cours) consiste, sur la base de modèles conceptuels (bibliographie) de zones de faille, à réaliser des modèles hydrauliques de ces zones afin de comprendre la complexité des écoulements au sein de ces structures hydrauliques de grande taille dans le but d’évaluer leurs propriétés et réduire les incertitudes sur les paramètres hydrauliques et de transport. Préalablement, une étude paramétrique, en cours, est menée à plus petite échelle, sur fracture simple, élément constitutif des zones de failles.

Une seconde étape (en cours) consiste en la mise en œuvre de l’algorithme d’optimisation global essaims de particules (PSO) pour résoudre (sans modèle à priori ou avec modèle à priori) le problème inverse (collaboration dans le cadre d’une action Carnot). L’objectif est d’obtenir l’ensemble des modèles possibles satisfaisant les connaissances du site.

Une troisième étape ( à venir) portera sur l’optimisation de l’exploitation du réservoir à partir de modélisations hydro-thermiques sur la base des modèles possibles.

Comportement hydraulique d’une zone de faille (3FLO)

26 et 27 mars 2013

Un segment de faille perméable : Milieu fracturé et/ou poreux


Hydrodynamique du mélange diphasique CO2 supercritique – saumure dans un site de séquestration hétérogène - Tri Dat NGO > Diplôme avant thèse : Master M2 Recherche MSROE - Ecole des Ponts ParisTech > Ecole doctorale, laboratoire : MIPEGE 534 - LSCE > Directeur(s) de thèse et encadrants : Emmanuel MOUCHE (LSCE) et Pascal AUDIGANE (BRGM) > Financeur(s) de la bourse doctorale : CEA - BRGM > Objectif de la thèse : Mise à l’échelle d’un modèle de propagation d’une bulle de CO2 dans un réservoir hétérogène

Service EAU

Axe III - 1ère année


Rôle des hétérogénéités spatiales dans l'environnement d'un puits d'injection de CO2 : impact sur l'intégrité. Irina Sin > Master de Sciences et Technologies MSE, MINES ParisTech > Ecole doctorale, laboratoire : ED Géosciences et Ressources Naturelles, MINES ParisTech Centre de Géosciences/Equipe HR > Directeur(s) de thèse et encadrants : Jérôme Corvisier, Vincent Lagneau > Financeur(s) de la bourse doctorale : bourse école doctorale GRN MINES ParisTech > Objectif de la thèse : > Développement d’un module d’écoulement bi-phasique pour Hytec > Caractérisation des hétérogénéités (à partir d’expériences de l’Université de Lorraine) > Fabrication de modèles géochimiques réalistes > Réalisation de simulations complètes (+ inter-comparaison)


Axe III - 1ère année


Impacts géochimiques et minéralogiques de la présence d’O2 sur les roches de réservoir et de

couverture dans le cadre du stockage géologique de CO2

Carole Langlais

UPPA - LaTEP

P. Cézac, F. Contamine, J-P. Serin, L. André,

M. Azaroual, E. Gaucher, C. Prinet, A. Buchard

Financeur(s) de la bourse doctorale : Chaire CTSC - TOTAL





> 2

Rappels des objectifs et principales étapes > Un nouveau dispositif expérimental

• Acquisition : – de donnés de solubilité dans des conditions de stockage du CO2

(T<150°C et P< 200 bar). – de cinétiques de réaction du système triphasique (gaz-saumure-roche).

Pompe volumétrique thermostatée

Chromatographie phase gaz

Cellule

Capteur CO2

Bains thermostatés

Bouteille d’alimentation en gaz

Chromatographes ioniques

Spectromètre optique (ICP OES)

Moteur d’agitation

Implémentation des résultats expérimentaux dans les simulateurs industriels



> 3

Rappels des objectifs et principales étapes > Les analyses des trois phases :

Gaz : tout au long des expériences • chromatographie phase gaz en ligne (ratio CO2-O2)

Solides : avant et après chaque expérience • microtomographie X (UPPA, LFC); • diffraction rayon X, fluorescence X, microscopie électronique à balayage et cartographie aux rayons X (TOTAL).

Liquide : tout au long des expériences. • pHmètre sous pression; • densimètre sous pression; • chromatographies ioniques en ligne (anions et carbonates); • couplage d’une chromatographie ionique (dissociation Fe(II) et Fe(III)) et d’une spectrométrie optique d'émission plasma à couplage inductif.

Gaz

Liquide

Solides



> 4

Rappels des objectifs et principales étapes > Validation du protocole expérimental :

• Solubilité du CO2 dans l’eau pure à 25, 50 et 100°C (Pmax=60 bar) et et à 150°C (Pmax=200 bar).

Calcul d’incertitudes par la méthode ANOVA (répétabilité et reproductibilité des expériences) : 2.13%

0.000E+00

5.000E-03

1.000E-02

1.500E-02

2.000E-02

2.500E-02

0 5 10 15 20 25

Solu

bilit

é CO

2 to

tal

(fra

ctio

n m

olai

re)

Pression totale (MPa)

Solubilité CO2-H2O à 423 K

cette étude

Shagiakhmetov and Tarzimanov, 1981

Takenouchi and Kennedy, 1965

Zawisza and Malesinska, 1981

Malinin and Kurovskaya, 1975

Drummond, 1981

Sako et al., 1991 (421 K)



> 5

Rappels des objectifs et principales étapes > Expériences sur le système CO2-H2O-NaCl :

• Solubilité du CO2 dans une solution de NaCl à 1 mol/kg d’eau à 50 °C (Pmax=200 bar).

• Masse volumique de solutions de NaCl à 1 mol/kg saturées en CO2 ou en N2 à 50, 100 et 150°C (Pmax=200 bar).

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

1.01

1.02

1.03

1.04

1.05

0 5 10 15 20

mas

se v

olum

ique

(g/c

m3)

Pression (MPa)

Yan et al., 2011 - 50°C CO2

Yan et al., 2011 - 100°C CO2

Yan et al., 2011 - 140 °C CO2

cette étude - 49°C N2

cette étude - 98°C N2

cette étude - 147.5°C N2

cette étude - 49°C CO2

cette étude - 98°C CO2

cette étude - 147.7°C CO2



> 6

Conclusions et perspectives

> Validation du pilote expérimental et des analyses.

> Solubilité et masses volumiques du CO2 et CO2-O2 dans des solutions de NaCl et de mélanges de sel

> Réactivité saumure/roche/CO2 et CO2-O2

Documents

Étude physico-chimique des fluides produits par la ... · d’optimisation global essaims de particules (PSO) pour résoudre (sans modèle à priori ou avec modèle à priori) le