Identification et compréhension des mécanismes de déstabilisation colloïdale dans les procédés géothermiques

Identification and understanding of colloidal destabilization mechanisms in geothermal processes

• Auteur / Autrice : Ines Raies
• Direction : Béatrice Ledésert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Cergy
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Ledésert, Benjamin Brigaud, Henri Bertin, Eva Schill, Pierre Ungemach, Jean Schmittbuhl, Eric Kohler, Marc Fleury
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benjamin Brigaud, Henri Bertin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géothermie

Mots clés libres

Géothermie

Réinjection

Argiles

Stabilité colloïdale

Colmatage

Baisse de perméabilité

Geothermal energy

Reinjection

Clay minerals

Colloidal stability

Clogging

Permeability decline

Résumé

La réinjection de l'eau dans le sous-sol est une étape clé dans le cycle d'exploitation de l'énergie géothermique. Dans une structure géologique poreuse, les roches agissent comme un filtre naturel pour les particules solides mobilisées par l'écoulement du fluide géothermal. Ces particules peuvent être capturées causant ainsi une réduction progressive de la perméabilité du milieu poreux. Ceci peut conduire à une réduction drastique de l'injectivité et à un éventuel échec de l'opération industrielle. Dans ce contexte, la présente thèse adresse la problématique de baisse d'injectivité due au dépôt de nanoparticules d'argiles dans les milieux poreux naturels, ceci en réponse aux problèmes de colmatage rencontrés dans les années 1980 dans les réservoirs gréseux du trias du Bassin parisien. Ces difficultés sont parfois présentes en dépit d'une filtration massive en surface (<1μm) en amont de la réinjection qui garantit un fluide faiblement concentré et des tailles de particules transportées bien inférieures (deux ordres de grandeur) aux seuils de pores des roches. Afin d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes d'endommagement de ce type de formations géologiques, des recherches ont été menées autour des trois axes suivants : (1) Identification des argiles responsables du colmatage par la caractérisation d'échantillons naturels provenant de la série de Feigneux (puits FEX-1, indice national : 129-1-140) se trouvant à 60km au Nord-Est de Paris et traversant le trias supérieur du Bassin parisien dans la formation des grès de Chaunoy. La diffraction des rayons X (DRX) a permis dans un premier temps d'identifier les différentes phases minérales présentes dans les roches étudiées. L'analyse chimique et morphologique des argiles a été réalisée par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). Ceci a permis d'identifier les espèces argileuses, en l'occurrence les illites, majoritaires et mobilisables par l'écoulement du fluide dans les environnements sédimentaires ciblés. (2) Etude de la stabilité des argiles dans les conditions de la géothermie : Il est important d'investiguer la stabilité des suspensions d'argiles dans les conditions de la géothermie en amont de leur injection dans les milieux poreux car la filtration du fluide en surface n'empêche pas la formation d'agrégats pendant le transport et l'écoulement du fluide dans la formation géologique. La cinétique d'agrégation des argiles identifiées précédemment a été étudiée par diffusion dynamique de la lumière (DLS) dans différentes conditions physico-chimiques. (3) Etude de la baisse d'injectivité par dépôt de particules d'argiles dans les milieux poreux par la réalisation d'expériences d'injection de suspensions d'argiles dont la stabilité a été caractérisée précédemment sous différentes conditions hydrodynamiques et physico-chimiques. En particulier, l'impact du débit d'injection, de la salinité, de la température et de la concentration particulaire a été étudié. Des interprétations basées sur la perte de charge engendrée par le dépôt des particules dans la porosité, complétées par des analyses en résonance magnétique nucléaire (RMN) et de l'imagerie MEB ont permis de comprendre le comportement des argiles lors de la réinjection et d'entamer une réflexion autour des éventuelles solutions pouvant être apportées pour pallier ce problème.

Injectivity decline problems are often encountered during geothermal water reinjection into the subsurface despite massive surface filtration. The reinjected water carrying only nano-sized particles at relatively low concentrations causes severe permeability impairment due to pore clogging by the transported particles. To provide a better understanding to injectivity decline problems, this study investigates the impact of clay minerals transport and deposition on formation damage of sandstone reservoirs. To identify the clays potentially responsible for clogging, a mineral characterization of natural samples, collected from a Triassic reservoir located in the Paris Basin (France), was realized using X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The obtained results show that in this type of sedimentary environments, illite particles are the most abundant clay species that are more likely to be detached from the rock structure and migrate within the geothermal fluid. Illite particles were then used in core-flooding experiments to mimic their reinjection in sandstones under different physico-chemical conditions. The obtained flow curves were further explained by aggregation experiments carried out using the dynamic light scattering (DLS) technique. The results show a clogging-favored tendency promoted mainly by the increase of ionic strength and particle concentration and the decrease of flow rate. In-depth NMR measurements were also carried out during the core-flooding experiments to identify the mechanisms leading to permeability impairment. SEM imaging was performed to compare the porous space before and after damage and study the morphology and distribution of the deposited particles in the sand column. Pressure drop measurements and NMR T2 relaxation time distributions revealed that clogging occurs in two stages: surface deposition and pore bridging. This was further confirmed by SEM images showing that pore-blocking illite ribbons were formed in the porous space.