Caractérisation multi-échelle des hétérogénéités du réservoir géothermique du Dogger d'Ile-de-France : apport de la résonance magnétique nucléaire et de la modélisation numérique statique et hydrodynamique

Multi-scale characterization of the heterogeneities of the Dogger geothermal reservoir in Ile-de-France : contribution of nuclear magnetic resonance and static and hydrodynamic numerical modeling

• Auteur / Autrice : Maxime Catinat
• Direction : Benjamin Brigaud, Miklos Antics
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Geofluid (Roissy-en-France, Île-de-France)
• Jury : Président / Présidente : Hermann Zeyen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Ledésert, Yves Géraud, Pierre Ungemach, Virginie Hamm, Simon Andrieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Ledésert, Yves Géraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Parisien, Bassin (France)

Jurassique moyen

Sédimentologie

Réservoirs carbonatés

Énergie géothermique

Géothermie

Mots clés libres

Géothermie

Modélisation

Dogger

Bassin de Paris

Carbonate

Geothermy

Modeling

Dogger

Paris Basin

Carbonate

Résumé

Afin de réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO₂), la géothermie est une solution prometteuse mais souvent oubliée. Dans le domaine de la chaleur, cette énergie est disponible partout, abondante, bas carbone, renouvelable et non intermittente. Dans le bassin de Paris, l’Ile-de-France est l’une des régions au monde qui concentre le plus d’unités de production géothermique avec près de 50 installations alimentant des réseaux de chaleur situés dans des zones urbaines denses. Au cœur du bassin, cette chaleur est essentiellement produite à partir de l’exploitation du réservoir carbonaté du Jurassique moyen (Dogger) situé à environ 1.5 km de profondeur à des températures comprises entre 56°C et 80°C. Ce réservoir est aujourd’hui très sollicité et les nouvelles opérations sont de plus en plus risquées. Pour qu’une opération soit rentable, il faut qu’elle soit implantée dans un secteur pourvu d’un réservoir de bonne qualité (poreux, perméable). L’implantation de futurs projets géothermiques dans la région n’est donc pas aisée et nécessite une caractérisation plus approfondie des hétérogénéités géologiques et pétrophysiques du réservoir. Ces hétérogénéités peuvent être caractérisées par des diagraphies ou des observations et mesures réalisées sur carottes. Elles peuvent être ensuite modélisées en 3D en utilisant des logiciels adaptés. Dans ce contexte, les objectifs ont été de (1) mieux comprendre les hétérogénéités de faciès, de porosité et de perméabilité du réservoir à partir de l’exploitation d’un jeu de données inédit de résonance magnétique nucléaire (RMN), mesurées in situ dans les puits et sur des carottes en laboratoire ; (2) de prédire les hétérogénéités spatiales du réservoir en élaborant des modèles numériques 3D ; et (3) d’effectuer des simulations dynamiques pour estimer la durée de vie des opérations (temps de percée thermique). Les mesures de laboratoire ont permis d’optimiser la prédiction de la perméabilité (k) du réservoir à partir d’une nouvelle relation faisant intervenir la macroporosité (φ) des échantillons (k=(3.15x10⁷) φ ⁵.³¹). L’observation de déblais de forage et carottes sur lames minces ont permis d’identifier 10 faciès sédimentaires rattachés à 3 environnements de dépôts. A partir des diagraphies (notamment RMN), l’extension latérale des niveaux les plus perméables (1 Darcy) a été estimée entre 500 à 2000 m. Ils sont surtout localisés dans les faciès oolithiques peu cimentés, avec parfois une intense dissolution de cristaux de dolomite améliorant la perméabilité, et de manière plus locale dans des faciès à oncolithes. Par ailleurs, ces niveaux sont préférentiellement situés au toit des séquences sédimentaires, dans le cortège régressif, en particulier de la séquence MJXa, identifiée dans l’Oolithe Blanche. La modélisation statique du réservoir s’est portée sur un périmètre de 1400 km² en région francilienne intégrant 116 puits géothermiques et 31 puits pétroliers. Le modèle 3D a été construit à partir d’une base de données numérique compilant plus de 300 diagraphies. Ce modèle (~12.10⁶ cellules) a permis de traiter le saut d’échelle dans le réservoir en combinant les perméabilités mesurées sur plugs (mini-carottes), sur diagraphies (RMN) et celles obtenus classiquement en géothermie à partir des tests de production de puits. Cette modélisation statique a permis de mieux caractériser l’architecture et les propriétés de perméabilité du réservoir géothermique. Des simulations dynamiques ont été effectuées sur plusieurs réalisations intégrant des architectures, des connections des corps réservoirs et des perméabilités différentes (mesurées de l’échelle du plug à celle des niveaux producteurs dans les puits). Elles ont permis de montrer l’impact des hétérogénéités et de la connectivité des niveaux réservoirs sur les temps de percée thermique. Les écarts des temps de percée et températures finales à 30 ans entre les modèles (plugs versus tests de puits) sont respectivement de 15 ans et 3.5°C en moyenne.

Geothermal energy is a promising but often overlooked solution for reducing carbon dioxide (CO₂) emissions. When it comes to heat, this energy is available everywhere, is abundant, low-carbon, renewable and non-intermittent. In the Paris Basin, Ile-de-France is one of the world's regions with the highest concentration of geothermal production units, with almost 50 installations supplying heating networks located in dense urban areas. In the basin, this heat is mainly produced by exploiting the Middle Jurassic (Dogger) carbonate reservoir located at a depth of ca. 1.5 km and temperatures ranging from 56°C to 80°C. Today, this reservoir is in high demand, and new operations are increasingly risky. For an operation to be profitable, it must be located in an area with a good quality reservoir (porous, permeable). The implementation of future geothermal projects in the region is therefore not easy and requires a more in-depth characterization of the reservoir's geological and petrophysical heterogeneities. These heterogeneities can be characterized by logging or core observations and measurements. They can then be modeled in 3D using appropriate software. In this context, the objectives were to (1) better understand the reservoir's facies, porosity and permeability heterogeneities by exploiting a novel nuclear magnetic resonance (NMR) dataset, measured in situ in wells and on core samples in the laboratory; (2) predict the reservoir's spatial heterogeneities by building 3D numerical models; and (3) perform dynamic simulations to estimate the lifetime of operations (thermal breakthrough time). Laboratory measurements were used to optimize the prediction of reservoir permeability (k) based on a new relationship involving the macroporosity (φ) of the samples (k=(3.15x10⁷) φ ⁵.³¹). Observation of cuttings and cores on thin-sections enabled us to identify 10 sedimentary facies associated with 3 depositional environments. Based on logs (particularly NMR), the lateral extent of the most permeable levels (1 Darcy) was estimated at between 500 and 2000 m. They are mainly located in poorly cemented oolitic facies, sometimes with intense dissolution of dolomite crystals improving permeability, and more locally in oncolite facies. Moreover, these levels are preferentially located at the top of sedimentary sequences, in the regressive cortege, in particular of sequence MJXa, identified in the Oolithe Blanche. Static reservoir modeling was carried out over a 1400 km² area in the Paris region, including 116 geothermal wells and 31 oil and producing wells. The 3D model was built from a digital database compiling over 300 well-logs. This model (~12.10⁶ cells) was used to deal with scale jump in the reservoir by combining permeabilities measured on plugs (mini-cores), on logs (NMR) and those obtained conventionally in geothermal energy from well production tests. This static modeling enabled us to better characterize the architecture and permeability properties of the geothermal reservoir. Dynamic simulations were carried out on several models incorporating different architectures, reservoir connections and permeabilities (measured from the plug scale to that of the producing levels in the wells). They demonstrated the impact of reservoir level heterogeneity and connectivity on thermal breakthrough times. The differences in breakthrough times and final production temperatures at 30 years between the models (plugs versus well tests) are respectively 15 years and 3.5°C on average.