Étude des mécanismes d’endommagement des formations lors de la réinjection des fluides géothermiques

Analysis of clogging mechanisms during the reinjection of geothermal fluids in geological formation

• Auteur / Autrice : Anne-Sophie Esneu
• Direction : Samuel Marre, Jalila Boujlel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Erriguible, Pierre Ungemach
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hugues Bodiguel, Philippe Coussot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géothermie

Matériaux poreux

Mots clés libres

Milieux poreux

Colmatage

Mécanique des fluides

Physico-chimie des fluides complexes

Microfluidique

Porous media

Clogging

Fluid mechanics

Physico-Chemistry of complex fluids

Microfluidic

Résumé

Le colmatage des puits causant une perte d’injectivité lors de la réinjection des eaux de production est un problème récurrent dans plusieurs domaines des géosciences (stockage de CO2, récupération de pétrole, géothermie, …). Pour minimiser ou remédier à ce problème, il est important de comprendre son origine. Le transport et le dépôt de particules colloïdales en milieux poreux ont ainsi été largement étudiés. L’état des connaissances à ce sujet est par conséquent très riche. Cependant, en raison de l'opacité des roches, on manque d'informations sur les mécanismes qui se produisent à l'échelle du pore. Lors de ces travaux, afin de faciliter l’extrapolation des résultats à l’application géothermie, nous nous sommes placés dans le cas de la réinjection de fluides géothermiques (petites particules, fort débit, milieux poreux perméables).La problématique de dépôt et de colmatage a ici été étudiée via une approche microfluidique combinant deux techniques de visualisation : l'imagerie optique et l'imagerie par fluorescence induite par laser. Les micromodèles (milieu poreux 2D transparents) considérés présentent des géométries inspirées d’images de réseaux poreux de roche réelle. Une suspension modèle de particules micrométriques avec des charges répulsives a été utilisée. Le couplage entre observation locale et mesures macroscopiques (pression et concentration) a permis une caractérisation fine des mécanismes impliqués à l’échelle du pore et d’apporter des informations essentielles à la compréhension des phénomènes impliquant l’hydrodynamique (vitesse, géométrie des pores) et les interactions particule-particule et particule-grain (forces DLVO).Plus particulièrement, cette étude réalisée dans les conditions de la géothermie a permis, en croisant les données sur les champs de vitesse établis par simulation numérique et les caractéristiques de dépôts obtenues expérimentalement, d’identifier les différents sites de dépôts ainsi que de décrire les régimes de dépôts et les mécanismes de colmatage. La localisation des sites de dépôt est principalement dictée par les lignes de courant dans le milieu poreux. Ils permettent la surconcentration locale en particules, ce qui, lorsque couplé à un fort cisaillement local, induit la formation de clusters de particules irréversibles. Ce phénomène d’agrégation hydrodynamique, fortement favorisé par les conditions de la réinjection de fluides géothermiques et notamment les forts débits d’injection, présente un risque majeur qu’il faut bien anticiper et contrôler. En effet, ces agrégats irréversibles, qui peuvent se former même lorsque les fluides sont finement filtrés et très faiblement concentrés en particules, sont facilement entrainés en profondeur par l’écoulement, sans être cassés jusqu’à colmater des seuils de pores par tamisage. Contrairement à des agrégats formés par affinité chimique, ces agrégats sont très difficiles à déstabiliser, ce qui rend complexe les procédés de remédiation après colmatage.Enfin, une étude paramétrique a montré comment chaque paramètre (concentration, débit, taille des particules, ...) influence la cinétique de l’endommagement. Les résultats obtenus à partir des travaux microfluidiques ont été également validés pour des systèmes plus réels (suspension avec particules d'argiles et massifs reconstitués de sable). Sur la base des informations recueillies, d'éventuelles solutions de remédiation ont été proposées.

Well clogging causing loss of injectivity during reinjection of produced water is a recurring problem in many areas of the geosciences (CO2 storage, oil recovery, geothermal energy, etc.). To minimize or remedy this problem, it is important to understand its origin. The transport and deposition of colloidal particles in porous media have been extensively studied. The knowledge on this subject is therefore very rich. However, due to the opacity of rocks, there is a lack of information on the mechanisms occurring at the pore scale. To facilitate extrapolation of the results to the geothermal application, we placed ourselves in the case of geothermal fluid reinjection (small particles, high flow rate, permeable porous media).The issue of deposition and clogging has been studied here using a microfluidic approach combining two visualization techniques: optical imaging and laser-induced fluorescence imaging. The considered micromodels (transparent 2D porous media) feature geometries inspired by images of real rock pore networks. A model suspension of micrometric particles with repulsive charges was used. The coupling between local observation and macroscopic measurements (pressure and concentration) has enabled fine characterization of the mechanisms involved at the pore scale and provided essential information for understanding the interactions between hydrodynamics (velocity, pore geometry) and particle-particle and particle-grain interactions (DLVO forces).In particular, by cross-referencing numerically simulated velocity field data with experimentally obtained deposition characteristics, this study, carried out under geothermal conditions, has allowed us to identify the various deposition sites, as well as describing deposition regimes and clogging mechanisms. The location of deposition sites is mainly dictated by the streamlines in the porous medium. They enable local over-concentration of particles, which, when coupled with high local shear, induces the formation of irreversible particle clusters. This phenomenon of hydrodynamic aggregation, strongly favored by geothermal fluid reinjection conditions and in particular high injection rates, presents a major risk that must be anticipated and controlled. In fact, these irreversible aggregates, which can form even when fluids are finely filtered and very low in particle concentration, are easily carried away at depth by the flow, without being broken. They may eventually clog pore thresholds by sieving. Unlike aggregates formed by chemical affinity, these aggregates are very difficult to destabilize, making remediation after clogging a complex process.Finally, a parametric study showed how each parameter (concentration, flow rate, particle size, etc.) influences damage kinetics. The results obtained from the microfluidic work were also validated for more real systems (suspensions with clay particles and reconstituted sand masses). Based on the information gathered, eventual remedial solutions were proposed.