Cet article présente un nouveau concept de puits qui constitue une alternative en ce qui concerne les matériaux aux problèmes de corrosion, de nature chimique, microbiologique et galvanique, qui affectent l'intégrité et la durée de vie des puits d'alimentation en eaux souterraines. La construction de l'ouvrage associe des tubages acier cimentés et des colonnes de production en matériaux composites, l'annulaire étant maintenu libre. Les tubages acier assurent une fonction mécanique de soutènement et les colonnes composites une protection chimique contre la corrosion ainsi que contre les dépôts et entartrages. L'espace annulaire libre peut être exploité aux fins de circulation d'agents inhibiteurs de corrosion/dépôts voire de bactéricides, au lieu et place d'une injection via une ligne d'inhibition chimique en fonds de puits, et de relevage de la colonne composite (et de la compétition sous-jacente) et de son remplacement en cas d'endommagement caractérisé, évitant ainsi le reforage d'un nouveau puits. Le forage et la complétion de ce puits nouvelle génération ont été réalisés avec succès, à une profondeur de 2 000 m, sur le site géothermique de Melun l'Almont, à 50 km au sud de l'agglomération parisienne, au mois de mars 1995. Il produit depuis cette date une eau fortement corrosive, à une température voisine de 70° C, au débit artésien de 200 m3/h, alimentant un réseau de chaleur géothermale desservant un parc de 3 000 logements.
La corrosion et l’entartrage des tubages et complétions sont les principaux facteurs reconnus d’endommagement des puits d’eau, de vapeur et d’hydrocarbures. Ces phénomènes ont revêtu une acuité particulière sur les puits des doublets géothermiques exploitant les formations aquifères carbonatées du Dogger en région parisienne, au point qu’ils ont pu, à la fin des années 1980, mettre en péril le devenir de cette source d’énergie, qui assure le chauffage de quelque 150 000 logements équivalents.
Le mécanisme source résulte des caractéristiques thermochimiques du fluide géothermal, une saumure chaude (60 à 80 °C) à pH voisin de 6, comportant une phase gazeuse dissoute enrichie en CO₂ et H₂S. L’interaction de cette dernière avec l’acier des tubages, dans le domaine de pH considéré, conduit à la formation de produits de corrosion sous la forme de dépôts et particules de sulfures de fer insolubles et de carbonates de fer, ces dernières partiellement, sinon totalement, solubles (1), (2), (3).
À cette corrosion chimique généralisée, peuvent se superposer une corrosion par piqûres des ions chlore (4), ainsi qu’une composante bactérienne due à l’activité de souches sulfato-réductrices (5).
Les remèdes engagés étaient de deux ordres, curatifs pour la protection des installations existantes et préventifs pour les équipements futurs. La voie curative, après nettoyage/réhabilitation des tubages endommagés, a consisté à pomper à la source du processus corrosif, soit en fond du puits de production, des produits inhibiteurs de corrosion/dépôts, voire des bactéricides, via des lignes d’injection chimique de petit diamètre (6). De tels dispositifs équipent actuellement trente-deux (sur un total de trente-cinq) doublets géothermiques de chauffage urbain. Ils ont permis, sinon d’éradiquer, du moins de ralentir, de façon parfois spectaculaire, les cinétiques corrosives et dépositionnelles observées par le passé. La solution préventive visait à substituer aux modes curatifs chimiques une alternative matériaux basée sur l’utilisation de matériaux composites (résines époxy armées de fibres de verre) chimiquement inertes. Il convient à cet égard de mentionner le précédent du doublet géothermique de Villeneuve-la-Garenne (92) complété dès 1976 au moyen de tubages composites 7’’ cimentés, première application de ce type en matière de complétions géothermiques et pétrolières (7). Curieusement, cet essai pionnier est resté, jusqu’à très récemment, sans lendemain, en région parisienne (ainsi qu’en Europe), tout au moins.
L'objet de cet article est double :
- d'une part, de décrire le concept de puits anti-corrosion, combinant tubages en matériaux acier et composites à annulaire libre, et son implantation sur le site géothermique de Melun l’Almont ;
- d’autre part, d'examiner les conditions techniques et économiques de son extension aux captages d’eau, soit à des objectifs profondeurs et thermochimiques nettement démarqués de l’application géothermique précédente, se conformant aux spécificités et aux pratiques en usage dans la profession du forage d'eau.
Concept d’ouvrage
Celui-ci, décrit dans la figure 1, comprend :
- des tubages de soutènement acier cimentés jusqu’au toit du réservoir aquifère supposé, dans le cas présent, produit en découvert ;
- une colonne de production mixte en matériaux composites ; la partie supérieure de la colonne fait office de chambre de pompage compatible avec l'utilisation de groupes électropompes immergés, de diamètre 11’’ (280 mm) ; elle est posée en compression sur un siège/réceptacle, les dilatations induites par les variations de température étant reprises en surface au moyen d’une manchette d’expansion disposée en tête de puits ; la partie inférieure est suspendue
Diamètre nominal : 9" 5/8
Température maximale (°C) : 95
Pression
- Limite d'utilisation (bars) : 140
- Épreuve (bars) : 205
- Coefficient de sécurité : 1,5
- Épreuve (ASTM D-1599) : 335
- Coefficient de sécurité : 2,4
Tension
- Limite d'utilisation (tonnes) : 73
- Épreuve (bars) : 95
- Coefficient de sécurité : 1,3
Écrasement
- Limite d'utilisation (bars) : 155
- Épreuve (ASTM D-2924) : 330
- Coefficient de sécurité : 2,1
Caractéristiques nominales
- Diamètre intérieur (mm) : 196,85
- Diamètre intérieur minimum calibré (mm) : 195,33
- Diamètre extérieur (mm) : 231,14
- Épaisseur (mm) : 17,27
- Masse linéique (kg/m) : 24,67
- Longueur (m) : 9,15 (API range 2, 8,55 à 9,75 m)
Fixation
- Diamètre manchon (mm) : 302,26
- Diamètre du renflement mâle (mm) : 245,11
- Diamètre filetage (mm) : 244,48
- Filetage : API 8 RD
Coefficients d’élasticité
- Circonférentiel (10⁹ bars) : 3,45
- Axial (10⁹ bars) : 2,05
- Coefficient de Poisson (minimum) : 0,22
Paramètres physiques
- Masse volumique (kg/m³) : 3 380
- Conductivité thermique (W/m·°C) : 0,35
- Coefficient de dilatation axial (cm/cm·°C) : 1,710 × 10⁻⁵
Paramètres d’écoulement
- Rugosité (mm) : 0,0015
- Coefficient Hazen Williams (C) : 150
Source : Fiberglass Systems, Inc – Star Fiberglass Systems, BV
Tableau 1 : Caractéristiques des produits tubulaires composites haute-pression utilisés à Melun-l’Almont.
Sous son poids propre et coulisse librement le long de son axe ; la colonne est centrée par des centreurs multi-lames, également en matériaux composites, et non par les manchons comme cela a pu être observé dans certaines applications.
Un annulaire à jeu faible (de l’ordre de 20 mm) maintenu libre, faculté qui est exploitée pour la circulation d’agents inhibiteurs pour la protection des tubages acier et des installations de surface.
Les limites d’utilisation se situent, pour les produits standards, à des pressions et températures de service de 138 bars et 95 °C et une inclinaison de puits n’excédant pas 40°.
Les matériaux recommandés sont compatibles avec l’injection d’acide chlorhydrique dilué à 15 %, avec la présence de gaz (CO₂, CH₄, H₂S) libres et dissous, et de saumures concentrées. En revanche, ils excluent tout contact avec certains solvants organiques (acétone en particulier) et l’acide fluorhydrique. Les avantages de cette complétion jusqu’à des profondeurs pouvant atteindre 3 000 m sont manifestes aux plans de la résistance à la corrosion et des longévités d’ouvrage, ces dernières étant singulièrement accrues par la possibilité de relever, et de remplacer, si besoin, la colonne composite sans nécessité de procéder au reforage d’un nouveau puits.
Ces avantages compensent largement, en regard de la durée de vie utile de l’ouvrage et des coûts de maintenance, le surcoût initial d’investissement par rapport à un ouvrage conventionnel.
Le puits anti-corrosion a fait l’objet de dépôts de brevets enregistrés sous les numéros 9002206 (France), 919005542 (Europe) et 5228509 (USA).
Applications géothermiques
Le puits de production nouveau a été foré et complété en mars 1995 sur le site de Melun-l’Almont, selon une formule clés en main par un groupement Sedco-Forex (forage) / GPE (complétion / essais), qui avait initié en 1969 le principe du doublet géothermique combinant un puits producteur et un ouvrage injecteur pour l’injection dans le réservoir de l’effluent refroidi après échange de chaleur, système étendu depuis à toutes les exploitations géothermiques du bassin parisien. Il représentait une version simplifiée du concept développé précédemment, en raison de la productivité et de l’artésianisme élevés de la formation aquifère (calcaires oolitiques du Dogger), qui évitaient le recours à une production assistée par électropompe immergée.
Sa complétion associe des tubages de soutènement en acier de diamètres extérieurs 18" 5/8 (473 mm) et 13" 3/8 (340 mm) cimentés et une colonne de production en matériaux composites constituée de résines époxy armées de fibres de verre type E à double enroulement circonférentiel et renfort axial, de diamètre intérieur 7" 3/4 (197 mm), à pression de service 2 000 psi (138 bars), dont les caractéristiques (standard pétrolier haute pression) sont consignées dans le tableau 1. Cette colonne, placée en suspension sous son poids propre (poids déjaugé voisin de 20 tonnes) à partir d’un dispositif (suspension/étanchéité) ad hoc posé sur la tête de tubage acier, peut coulisser librement le long de son axe (soit de sa génératrice, s’agissant d’une trajectoire déviée d’inclinaison 34°) au moyen de centreurs multi-lames composites, dont la rigidité est modulée en fonction de la courbure et de l’inclinaison du puits.
L’annulaire libre entre tubages acier et colonne composite est tamponné par une solution inhibitrice à formulation mixte anticorrosion/dépôts, additionnée, le cas échéant, d’une composante bactéricide, destinée (i) à prémunir les tubages de soutènement acier contre la corrosion provoquée par les remontées éventuelles d’eau géothermale dans l’annulaire, et (ii) à prévenir la formation de dépôts et incrustations cau-
sés par des sulfures de fer natifs dissous dans le fluide de formation, susceptibles d'affecter la productivité et l'injectivité des ouvrages, ainsi que la corrosion chimique et/ou bactérienne des installations de surface et du puits injecteur.
Les deux puits du doublet existant, le producteur ancien et l’injecteur foré en 1989 (en remplacement de l'injecteur initial endommagé) ont été maintenus en fonction, la capacité nominale (en mode de production éruptif) du système, exploité en triplet de forages à deux producteurs et un injecteur, pouvant être portée à 250 m3/h, voire plus, contre 120 m3/h précédemment. Ce triplet permet de fournir annuellement près de 35 000 MWht à un réseau de chauffage urbain desservant un parc d’environ 3 000 logements équivalents.
Les impacts environnementaux de ce concept de puits sont significatifs vis-à-vis de la sécurité de l'exploitation et de la protection des aquifères superficiels (Lutétien, craie) et intermédiaires (Albien/Néocomien).
En effet :
- — les aquifères superficiels (de 0 à 450 m) bénéficient d'une triple protection, tubages de soutènement acier 18"5/8 et 13"3/8, avec entrefer cimenté et colonne de production, l'espace annulaire tubages acier et composites étant rempli d’une solution inhibitrice,
- — les aquifères intermédiaires, principalement les passées intercalaires sableuses de l'Albien et du Néocomien, sont protégés par un tubage 13"3/8 acier cimenté, la colonne composite et l’annulaire inhibé,
- — le suivi continu d’intégrité de la colonne composite, outre l'enregistrement permanent des pressions annulaires, autorise, par la mise en œuvre du protocole de détection des fuites résumé ci-après, une caractérisation non ambiguë de celles-ci et le rétablissement rapide de son étanchéité, sans que les aquifères sensibles aient été préalablement contaminés par le fluide géothermal.
Le suivi d’intégrité de la colonne en matériaux composites et des tubages de soutènement acier permet en outre d’éviter le recours à des diagraphies différées d'inspection, au moyen de protocoles dont on rappellera brièvement le principe :
- — essais de pressurisation différentielle : pressurisation annulaire, vanne maîtresse de tête de puits fermée ; pressurisation colonne composite, vanne latérale de tête de puits fermée,
- — injection de traceurs par remplissage de la colonne de fluide marqué par la solution traçante (et chasse concomitante du fluide géothermal, vanne latérale fermée) suivi de la récupération du traceur par dégorgement artésien, vanne latérale ouverte.
En cas de fuite avérée, l'intégrité du tubage de soutènement peut être contrôlée, après relevage de la colonne composite, par essais de pressurisation classiques par obturateurs (packers).
Ce projet ne restera pas sans lendemain. En effet, le renouvellement, inéluctable à terme, des installations, singulièrement de sous-sol, des doublets géothermiques de chauffage urbain exploitant le Dogger de la
région parisienne gagnerait à s’inspirer de la stratégie appliquée à Melun, en procédant au forage d'un puits de production nouveau du type représenté dans la figure 2, à la reconversion des puits du doublet ancien, après rechemisage éventuel, en ouvrages injecteurs, et à la reprise de l'exploitation en triplet de forages à un producteur et deux injecteurs.
Les gains de puissance électrique ainsi réalisés s’élèveraient à près de 100 kWe pour des doublets de première et seconde génération rechemisés et circulés respectivement en diamètres (re)tubés 5"1/2 et 7", et à des débits de 200/300 m³/h, la durée de vie de l'exploitation étant prolongée de quinze à vingt années.
Extension aux forages d’eau
Le champ du forage d'eau, qui intéresse des profondeurs et températures moins élevées, des ouvrages verticaux et des eaux à la thermochimie moins agressive, est a priori éligible au concept de puits anti-corrosion, en vertu de l'adage « qui peut le plus peut le moins ». Cette proposition est cependant moins simple qu'il n'y paraît de prime abord.
En effet, le procédé ainsi que les applications aux puits des matériaux composites ont pu être mis au point et exploités dans un contexte d’industries (pétrolière et, à un degré moindre, géothermique) intégrées aux procédures, équipements et services normalisés et d’objectifs profonds. Le forage d'eau, en revanche, est un domaine dont les intervenants, les techniques, les matériels, les utilisations ainsi que les conditions économiques sont considérablement plus diversifiés. Il s’agit, par conséquent, d’adapter le concept et sa mise en œuvre aux pratiques et usages du forage d’eau et non l’inverse ; de promouvoir en quelque sorte des fournitures et services à façon, sinon personnalisés à chaque configuration de captage et d'utilisation, assortis si possible d'une garantie totale d’ouvrage sans dérive des coûts.
De ces points de vue, l'introduction récente d'une gamme étendue de diamètres et épaisseurs tubulaires composites, de manchons en fibres de carbone atténuant les contraintes d'encombrement, de crépines en matériaux composites et de méthodes de pose et de vissage compatibles avec les dotations de forage/levage/manutention conventionnelles, constitue un progrès indéniable. Ces aménagements permettent d'envisager les alternatives composites aux complétions conventionnelles, empruntées à des captages réalisés ou projetés, illustrées dans les figures 2 a, b, c et d.
Les cas étudiés, au nombre de quatre, concernent respectivement :
- – un captage d’eau potable à faible profondeur (70 m) complété par une crépine lanternée/massif de gravier filtrant, équipé d'une électropompe immergée de diamètre 11" (280 mm) (figure 2a) ;
- – un puits d’alimentation en eau potable (AEP) foré à moyenne profondeur (330 m) produisant, en découvert, un aquifère calcaire dolomitique au moyen d'une électropompe de diamètre 8" (203 mm) (figure 2b) ;
- – un puits d’eau industrielle semi-profond (980 m) produisant un réservoir à matrice sableuse par crépines inox à fil enroulé/massif de gravier filtré et électropompe immergée de diamètre 10" (254 mm) (figure 2c) ;
- – un ouvrage à vocation mixte hydrothermalisme/AEP complété à une profondeur de 1 500 m par crépines inox à fil enroulé/gravier filtrant à production assistée par électropompe de diamètre 8"1/4 (210 mm) (figure 2d), comportant une variante en production éruptive via une colonne crépinée à sa base, tout composite.
Les surcoûts par rapport à la solution conventionnelle s’échelonnent de 5 % (configuration 2a) à 20 % (configuration 2d). À cet égard, il est utile de mentionner, outre les gains réalisés aux plans de la longévité accrue de l’ouvrage, de la maintenance et de la sécurité environnementale, certains avantages spécifiques. Ceux-ci concernent la prévention des risques de dépôts/entartrages (carbonates, sulfates de calcium principalement) et des couples galvaniques corrosifs induits par la présence de moteurs électriques et de métaux et alliages différents (contacts entre tubages en aciers au carbone et acier inox des crépines notamment) couramment rencontrés dans les puits d'eau. L'existence d’un espace annulaire autorisant l'injection d’inhibiteurs anti-tartre, à base par exemple de polyacrylates alcalins à bas poids moléculaire, environnementalement inoffensifs, et de colonnes composites électrochimiquement neutres constitue une réponse appropriée et sûre à ces risques d’exploitation.
Enfin, les propriétés mécaniques et chimiques des matériaux tubulaires et accessoires composites candidats les rendent aptes aux opérations périodiques de stimulations acides (HCl 15 %) et de jettage des aquifères et complétions.
Conclusion
Les essais probatoires réalisés en exploitation géothermique ont permis de valider le concept de puits anti-corrosion combinant tubages de soutènement acier et colonne de production en matériaux composites à annulaire libre.
L’extension du procédé aux forages d’eau constitue, moyennant des adaptations spécifiques de la technologie aux pratiques et usages de la profession, une alternative matériaux techniquement fiable, environnementalement sûre et économiquement compétitive aux problèmes de corrosion et d’entartrage des tubages et complétions rencontrés par l’exploitation. Cette conception alternative permet de sécuriser une intégrité et une longévité accrues des puits et d'envisager des formules d’accompagnement de type fournitures clés en main et garanties totales d’ouvrage.
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