La géothermie dans le Bassin Parisien : le point sur les techniques d'exploitation

Après une montée en puissance du nombre d'opérations jusqu’en 1986, la géothermie du Bassin Parisien est entrée de plain-pied dans sa phase d’exploitation. La quarantaine d'installations actuellement en service est confrontée à de sérieux problèmes d’ordres économique et technique perturbant parfois considérablement les résultats et conditions d'exploitation. Nous n'aborderons pas ici l’aspect économique, où baisse du cours du pétrole et évolution défavorable du différentiel taux intérêt-inflation, ont complètement faussé et déséquilibré les conditions financières. Une approche honnête de cette question montre toutefois que si les problèmes techniques ont été la cause de certains échecs, les difficultés ont été le plus souvent d'ordre économique (cf. rapport de la Cour des Comptes).

Quoiqu’il en soit, les problèmes techniques sont réels et sont liés à la nature très agressive du fluide géothermal du Dogger dont les caractéristiques moyennes sont les suivantes :

• — Température θ = 70 °C (maximum 85 °C à Coulommiers),
• — Salinité totale = 25 g/l (essentiellement ClNa),
• — Sulfures abondants = 20 mg/l (maximum 150 mg/l),
• — Gaz dissous = H₂S (10⁻³ mole/l) et CO₂ (10⁻² mole/l).

C.F.G.

Cette agressivité est amplifiée par l'importance des débits exploités (150 à 200 m³/h en moyenne), dont la moindre réaction (par effet d’échelle) peut prendre des proportions considérables. Ses conséquences se manifestent par la présence plus ou moins massive de dépôts de sulfures de fer sur les parois internes de tubages acier et par l'existence concomitante de zones très corrodées pouvant aller jusqu’au percement. Le secteur le plus touché concerne le Nord et le Nord-Est de la région parisienne.

Face à cette situation redoutable dont les effets dégradants avaient été largement sous-estimés, la profession, dont la C.F.G., s'est mobilisée pour enrayer ce processus destructif et trouver des solutions durables afin que les installations géothermales retrouvent leurs caractéristiques originelles de fonctionnement. Cette action s'est développée progressivement selon trois axes principaux : la réhabilitation des puits, le traitement du fluide, la maintenance des installations.

LES FORAGES :TECHNIQUESDE RÉHABILITATION

C'est au cours de l'été 1986 que les premières opérations de réhabilitation ont été mises en œuvre sur une dizaine d’installations perturbées dans leur exploitation. Il s’agissait alors essentiellement de forages de réinjection où l'augmentation importante de pression constatée en tête de puits nécessitait une intervention.

En l'absence de connaissance précise de l'origine et de l’importance des perturbations constatées, des moyens relativement lourds ont été employés en 1986 pour nettoyer ces forages dont des coupes schématiques types sont présentées sur la figure 2. Ces curages ont donc été conduits avec une machine de work-over de 70 t (capacité statique) et une technique classique de curage mécanique à l'outil (en écoulement artésien avec injection de bouchons visqueux). Chaque intervention a été précédée d'un diagnostic géométrique du puits à l'aide d'un outil de calibrage multibras (40 bras) permettant de mettre en évidence et de quantifier les dépôts indurés, les corrosions et les perforations éventuelles. Un contrôle préalable de fond de trou avec barres de charge a été également effectué. Ce diagnostic, élément essentiel de décision pour définir le type d’intervention à réaliser, pouvant être complété par des investigations plus poussées au droit d’anomalies caractérisées (descente sondes ultrasoniques et/ou électromagnétiques : BHTV, CET, ETT...) a été systématiquement mis en œuvre et l'est encore aujourd'hui.

À l'issue de ces premiers travaux, les caractéristiques hydrauliques d'origine ont généralement été retrouvées mais, en l'absence de traitement du fluide, les phénomènes de corrosion-dépôts se sont maintenus avec une activité accrue liée à l’état de surface résiduel des tubages. Deux constats essentiels ont pu être dégagés de ces travaux :

• — dans la quasi-totalité des cas, les perturbations enregistrées sont imputables aux désordres sur les tubages et non au droit du réservoir ; ce dernier a gardé son intégrité, ce qui circonscrit les ennuis au niveau des équipements tubulaires ;
• — l'intervention sur le puits de production de Sevran a montré que les phénomènes de dépôts-corrosion se manifestaient aussi bien sur le producteur que sur l'injecteur.

Ces diverses observations ont conduit la C.F.G. à envisager des méthodes de curage plus légères, plus efficaces tout en étant moins agressives, et à proposer un traitement du fluide par inhibiteur dès le fond du puits de production (cf. chapitre suivant).

Après quelques phases intermédiaires avec machine allégée (40 t), tentative de grattage au câble (échec) et acidification directe sur certains puits à dépôts non indurés, une nouvelle méthode de curage hydraulique a été expérimentée en juin 1988 sur les deux

puits de La Courneuve Nord. Elle consiste à injecter sous forte pression un fluide de nettoyage (eau + polymères) au moyen d'un flexible (coiled tubing) muni à son extrémité d'un outil de jetting (figure 3). Ce système est beaucoup moins agressif qu'une méthode mécanique vis-à-vis des équipements tubulaires déjà fortement dégradés sur certains ouvrages (absence de contact permanent métal/métal). Il permet en outre une intervention en continu par déroulement d'un flexible 1ʺ1/2, en évitant les pertes de temps en manœuvres de tiges et il accroît la qualité du nettoyage en laissant un état de surface plus lisse et des dépôts résiduels beaucoup plus limités. La remontée des dépôts est essentiellement assurée par le débit artésien du puits ; cette méthode n'est donc pas applicable en l'état aux puits non ou faiblement artésiens. Deux incidents graves intervenus sur les sites de Clichy et de Tremblay ont entraîné momentanément la suspension de cette méthode de nettoyage afin de permettre d'améliorer le système et de développer de nouvelles procédures, voire de nouveaux outils (problème de sédimentation des sulfures déstabilisés avec coincement de l'outil).

Les cas de dégradation extrême des tubages peuvent engendrer, notamment dans les chambres de pompage des puits de production, des corrosions allant jusqu’à des pertes de matière dépassant les 2/3 de l’épaisseur initiale ou provoquant des perforations ; le risque de contamination d'aquifères d'eau douce par les eaux minéralisées du Dogger oblige donc à intervenir rapidement avec des moyens importants.

Lorsque les effets de la corrosion sont très localisés, il est possible de mettre en œuvre une méthode nouvelle expérimentée par la C.F.G. sur le puits de Meaux Collinet en août 1988, puis sur le site de Créteil. Elle consiste à poser en face des perforations un « casing patch » assimilable à un rechemisage par tube plaqué sur le tubage existant. Le collage est réalisé grâce à un treillis en fibre de verre entourant le casing patch et enduit de résine epoxy (figure 4). L'avantage de cette méthode, outre son rôle de colmatage des fuites, est de limiter la réduction de diamètre intérieur de la chambre de pompage et donc de préserver les possibilités d’exploitation de l’ouvrage.

Quand la corrosion est généralisée, il y a lieu de procéder à un rechemisage partiel ou complet de l’ouvrage par des tubages en acier ou composite de diamètre inférieur. Cette solution extrême est pénalisante puisque la réduction de diamètre engendre des pertes de charge complémentaires pouvant limiter les débits d’exploitation. La réduction de diamètre de la chambre de pompage impose également le changement de groupe motopompe immergé lorsque les tolérances sont limitées. À noter que la solution composite présente une alternative séduisante au traitement du fluide. Elle fait actuellement l'objet d'études poussées plus orientées vers de futurs forages que pour la réhabilitation d’ouvrages existants.

Enfin, une dégradation trop avancée d’un puits peut nécessiter son abandon pur et simple, avec rebouchage par bouchons de ciment.

LE TRAITEMENT DU FLUIDE

Le traitement du fluide apparaît à l'heure actuelle comme la seule solution efficace pour assurer la pérennité d’exploitation des puits géothermiques existants. Sa mise en œuvre ne doit être envisagée qu'après réhabilitation des puits telle que décrite ci-dessus.

Mode d'action des inhibiteurs

Les différents types d’inhibiteurs de corrosion les plus courants sont représentés par :

• - des molécules cationiques, anioniques ou mixtes qui se fixent sur les sites de corrosion pour bloquer le phénomène ;
• - des molécules organiques, intervenant comme filmogènes et isolant la surface du tubage de l’eau qu'il transporte.

Le premier type de molécule présente deux inconvénients dans le cas de la géothermie ; le premier de ceux-ci réside dans les quantités élevées de produit à mettre en œuvre. En second lieu, les molécules de type minéral sont largement susceptibles de créer des réactions secondaires conduisant à des dépôts de nature différente, et tout aussi gênants que ceux que l’on cherche à éviter. En outre, bon nombre de ces produits sont proscrits pour une utilisation en circuit ouvert.

Les filmogènes se déposent le long des parois en couche théoriquement monomoléculaire ; sur des surfaces usées ou légèrement sales, certaines observations ont montré que l'effet filmogène était renforcé par la présence de traces de sulfures de fer. Ces produits peuvent être appliqués à faible dose.

Quel que soit le type d’inhibiteur choisi, il conviendra de l’entretenir car le produit est déplacé par lessivages successifs sous l'effet de la vitesse de circulation du fluide. Le système étant ouvert (non-recirculation de l’eau sur elle-même), l’entretien du traitement revient à injecter en continu ou en semi-continu le produit.

Sélection du procédé

La sélection du procédé relève d'une démarche incontournable si l'on recherche une solution efficace. La première étape consiste à comprendre la cause de l’anomalie constatée. Il devient, dès lors, relativement simple d'opérer un choix théorique de traitement. Des essais sur site en dérivation de l’installation permettent alors de retenir la molécule la mieux adaptée au type de fluide à traiter.

Choix du principe d’application

L’essai sur site permet également de définir une stratégie d’application, l'objectif étant d’in-

injecter le minimum de produit et d’obtenir le maximum d’efficacité. Les filmogènes sont réputés efficaces à partir de 5 ppm, voire 10 ppm. Les essais confirment généralement les données des fournisseurs. Toutefois, compte tenu du système d’exploitation en système ouvert, ces dosages entraînent des coûts en produit élevés. L’étude de la tenue du film dans le temps (persistance) permet alors d’opérer par séquences d’injection ; si, à un dosage de 10 ppm pendant 5 minutes, le produit persiste pendant 15 minutes dans les conditions de l’exploitation (eau, température, vitesse), on peut retenir l’injection de 5 minutes toutes les 20 minutes. Le lessivage sur les tubages n’étant que partiel, au bout d’un certain temps, la protection sera assurée par accumulation de couches successives se déplaçant le long des tubages.

À la mise en service du traitement, l’efficacité du produit progresse du point d’application vers le fond du puits de réinjection. Compte tenu de l’origine des dépôts, il convient d’appliquer le produit le plus en amont possible dans les portions en acier, représentées pour les doublets par le sabot du puits d’exhaure.

Suivi des performances

Le suivi des performances a fait l’objet de nombreuses investigations. Il apparaît, à ce jour, que les indicateurs les plus efficaces sont représentés par :

• — la mesure de la vitesse de corrosion par sonde à résistance de polarisation ;
• — la mesure de la vitesse de corrosion par témoins de corrosion ;
• — l’analyse régulière du fer, du manganèse et des sulfures dissous ;
• — l’évaluation de la matière en suspension.

La fréquence de ces opérations doit être assez élevée au démarrage d’un traitement, afin de l’optimiser (base mensuelle retenue par la DRIR). En plus de ces mesures, un contrôle complet des caractéristiques générales du fluide permet, à échéance régulière, de vérifier par le calcul le comportement de l’ensemble. Enfin, le juge suprême réside dans la diagraphie de calibrage lorsque cette opération est possible. Les observations régulières de l’exploitant constituent également de précieux indicateurs (encrassement des appareillages, pression d’injection, etc.).

Actuellement, dix sites sont traités et suivis par C.F.G. Les principaux résultats sont reportés sur les tableaux I et II pour deux exemples : d’un puits traité à partir de la pompe de production (≈ 200 m environ dans le puits d’exhaure) et d’un puits traité en fond de puits à l’aide d’un tube de traitement fond de puits (TTFP breveté) en composite (figure 5) suspendu sous la pompe de production et relié en surface par un conduit flexible de petit diamètre.

LA MAINTENANCE DES INSTALLATIONS

En raison d’une productivité artésienne insuffisante vis-à-vis des débits requis, la plupart (87 %) des doublets géothermaux sont équipés de groupes de pompage.

Le fluide géothermal est extrait du puits de production au moyen d’une pompe immergée dans une chambre de pompage spécialement aménagée à cet effet (figure 2). En surface, le fluide, maintenu sous pression afin d’éviter tout dégazage perturbateur, circule au primaire d’un échangeur qui transfère l’énergie thermique vers le réseau de chauffage urbain. Après refroidissement, le fluide est réinjecté à l’aide d’une pompe de réinjection jusqu’à la formation aquifère du Dogger d’où il a été extrait.

Exploitation géothermique

Les difficultés rencontrées dans les exploitations peuvent être de trois ordres :

• — les arrêts des installations, dus le plus souvent à des pannes des organes de pompage ou des équipements périphériques qui sont souvent la conséquence du fonctionnement dans les ambiances très corrosives décrites dans les chapitres précédents ;

• — la baisse de productivité des puits, qui se manifeste par une baisse de débit due à une dégradation des caractéristiques hydrodynamiques des puits ; il s’agit fréquemment de restrictions ou de colmatage des puits de production ou de réinjection ;
• — des avaries graves sur les puits mettant en péril la pérennité de l’installation ; c’est le cas lorsque les tubages en acier des puits sont dégradés ou éventuellement percés, suite à des attaques de corrosion localisées.

Pour faire face à ces difficultés qui influent directement sur la rentabilité des exploitations géothermiques, des techniques de maintenance ont été mises au point ; celles-ci permettent :

• — de déceler les causes des avaries, et même de prévenir les anomalies en effectuant des contrôles réguliers des paramètres critiques identifiés ;
• — de proposer des solutions curatives ou d’améliorer les durées de vie ou les taux de disponibilité des matériels ; c’est le cas en particulier des techniques décrites au chapitre précédent ;
• — de mettre en place des procédures préventives et de définir les conditions optimales de fonctionnement pour éviter les déboires ; c’est le cas notamment des techniques de traitement exposées dans le présent chapitre.

Tableau I

Meaux Hôpital (traitement au niveau pompe)

Une diagraphie de juin 1989 confirme cette efficacité.

Tableau II

Clichy-sous-Bois (traitement fond de puits)

Détection de l'origine des troubles

Pour déceler l'origine d'un fonctionnement défectueux d'une installation, il faut tenir compte de tous les paramètres qui peuvent influer sur la bonne marche du système. Leur mesure implique l'interaction de techniques variées et diverses touchant aux domaines de la géochimie, la corrosion, l'hydrogéologie, l'hydraulique, l'électricité, la mécanique, etc.

Ce suivi complet est réalisé à partir de données recueillies sur site :

• soit de manière périodique, par l'intervention d'unités mobiles de mesure,
• soit en continu, par l'équipement des sites en capteurs pour les données fondamentales, stockage et télétransmission vers un site central de traitement des informations ; il s'agit alors du télésuivi des installations.

Des appareils de mesure spécifiquement adaptés au fluide géothermal ont dû être développés pour mesurer, de façon simple et rapide, les données fondamentales, comme par exemple la pression de point de bulle ou la vitesse de corrosion. Dans ces domaines, outre les moyens de mesure et de contrôle décrits ci-dessus, la mesure et la caractérisation de la corrosion ont nécessité la création de sondes utilisant les principes de résistance de polarisation tout en s'affranchissant des perturbations liées au pouvoir incrustant des dépôts fréquents de sulfures de fer.

De la même façon, il a fallu mettre au point des méthodes de mesure des caractéristiques hydrogéologiques des puits et des performances hydrauliques des pompes immergées, pouvant être mises en œuvre sans interrompre l'exploitation de la boucle géothermale, ni en perturber le fonctionnement. Les niveaux hydrodynamiques peuvent ainsi être mesurés en continu au moyen de capteurs piézométriques immergés ou par des systèmes de contre-pression d'azote.

Maintenance curative

Lorsqu'il s'agit de pannes des organes de pompage ou des appareils de surface, le problème s'apparente souvent à des cas connus dans tout procédé industriel. Dans le cas où la panne provient de la corrosion, le fluide géothermal étant directement en cause, un simple remplacement du matériel défectueux ne suffit plus ; il faut alors définir avec précision le type de corrosion en cause. Cette étude poussée des causes débouche sur des solutions industrielles concernant le choix et la mise en œuvre des matériaux les mieux adaptés mais aussi sur des modifications éventuelles des régimes de marche.

Quand on constate une baisse de productivité des puits, et si l'investigation préliminaire fait apparaître un colmatage des forages, il est possible d'intervenir en utilisant les techniques décrites ci-dessus.

Maintenance préventive

Il s'agit de supprimer toutes les causes génératrices de désordre qui peuvent apparaître par une simple observation attentive de l'installation et des conditions de fonctionnement ; on peut citer :

• toutes les actions visant à éviter les dégazages générateurs de dépôts et de corrosion accélérée, soit par des régulations de pression adaptées aux caractéristiques du fluide, soit par des dispositifs spécialement étudiés (contre-pression d'azote) ;
• le positionnement adéquat des pompes d'exhaure immergées, de façon à éviter tout phénomène de cavitation et tout risque de corrosion galvanique ;
• la suppression des couplages galvaniques qui provoquent des corrosions localisées particulièrement rapides ;
• la mise en place des traitements chimiques anti-corrosion au niveau des installations de surface ou dès le fond du puits de production, tels que décrits au chapitre précédent.

Actuellement, 22 sites du Bassin Parisien sur une quarantaine sont suivis par le C.F.G. au moyen de ces méthodes avec de bons résultats sur la pérennité des caractéristiques d'exploitation. Les résultats sont spectaculaires lorsqu'une véritable synergie existe entre société de maintenance, exploitant et maître d'ouvrage des installations géothermiques.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Les graves désordres techniques constatés très tôt dans l'exploitation des puits géothermiques du bassin parisien et identifiés concrètement à partir de 1986 ont, un moment, pu faire craindre le pire quant à la survie des installations. Une mobilisation de tous, maîtres d'ouvrage, maîtres d'œuvre, instituts de recherche, organismes publics et entreprises a permis en quelques années de redresser la barre et d'envisager une perspective plus prometteuse.

Les réhabilitations de puits couplées à un traitement du fluide et à une maintenance des installations permettent aujourd'hui de faire fonctionner tout à fait correctement des sites jugés, il y a peu de temps encore, comme critiques. L'expérience acquise notamment par la C.F.G. dans ce contexte très difficile a favorisé l'émergence de techniques nouvelles dont toute la profession peut aujourd'hui profiter. Une géothermie qui marche est en train de prendre corps et permettra d'envisager sérieusement, lorsque les conditions économiques seront réunies, la réalisation de nouveaux ouvrages pour participer à son modeste niveau à ce que le public a prématurément oublié : les économies d'énergie.