Chapitre III Modélisation hydrodynamique à l’échelle du réservoir
2.2 Modèle maillé spatialisé de la zone d’étude
En 2008, dans le cadre du projet MineWater, un modèle maillé spatialisé a été construit pour étudier la faisabilité de l’implantation d’un doublet géothermique dans les dressants de Merlebach (siège Vouters) [63]. Le code MARTHE du BRGM a été utilisé.
Les principales hypothèses de l’étude sont que du point de vue de l’hydrodynamique, il existe deux types d’écoulement dans la mine :
- un écoulement rapide dans les galeries de grande conductivité hydraulique ;
- un écoulement plus lent dans la matrice poreuse comprenant les veines de charbon remblayées et la roche de conductivité hydraulique beaucoup plus faible.
Ces hypothèses ont été traduites dans le modèle en introduisant :
- un fort contraste de conductivité hydraulique entre les galeries de mine et la matrice poreuse, de 105 m/s ;
- une porosité de galerie telle que la section ouverte à l’écoulement correspond à la section réelle des galeries (de 10 à plus de 40 m²).
L’encaissant des galeries reste toutefois indifférencié.
Le modèle discrétisé de l’ensemble du siège Vouters est constitué de mailles de section carrée de 20 m sur 20 m dans le plan horizontal, avec une subdivision verticale de 54 couches d’épaisseurs variables, les plus fines étant de 4 m pour les étages contenant des galeries.
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Figure 63 - En haut, le réseau de galeries et bures considéré dans le modèle spatialisé maillé de 2008. En bas, le passage sous MARTHE. Les bures ne sont pas représentées. D’après [2].
Les simulations se font en régime hydrodynamique transitoire, sans alimentation, en supposant l’ennoyage terminé41, le domaine étant clos et hermétique. Les transferts thermiques se font également en régime transitoire.
Deux configurations en production à l’étage 1250 ont été considérés pour le doublet géothermique à partir d’une injection au puits Cuvelette Nord à l’étage 420 : (i) production au puits Vouters 2 et (ii) production au puits Cuvelette Nord. Différents débits d’injection/pompage sont considérés. Le puits Cuvelette Nord étant intégralement cimenté, l’eau injectée ne peut pas descendre directement en profondeur et doit donc trouver son chemin dans la mine. Ce dernier emprunte les seules connexions verticales disponibles, c’est-à-dire les bures du réseau toutes supposées ouvertes. En effet, pour éviter un court-circuit de l’étage 420 immédiatement vers le fond, le puits Vouters 2 est supposé intégralement cimenté comme Cuvelette Nord.
De l’eau froide (26°C) est donc injectée à faible profondeur dans le puits Cuvelette, puis se réchauffant en traversant les infrastructures minières horizontalement (par les galeries) et verticalement (par les bures) en direction du point de pompage profond à l’étage 1250, pour finalement être récupérée. L’eau est initialement à une température de 52°C en profondeur, en supposant l’équilibre roche – vide minier atteint, selon le gradient géothermique local
41 Dans ce modèle, cela signifie que le réservoir est rempli jusqu’au toit qui constitue une surface libre pour l’eau (pas de mise en pression).
131 moyen [39]. Elle se refroidit progressivement au fil des années d’exploitation géothermique. Des alternances de 6 mois d’injection/pompage et de repos sont réalisées.
Les résultats montrent que les variations de température se font essentiellement dans les galeries et que la température de l’eau dans le milieu poreux encaissant est faiblement modifiée, même à très proche distance des galeries ou des bures. La baisse de température la plus importante se produit durant les premiers mois de pompage, puis une tendance à la stabilisation se dessine au bout de quelques années. De plus, dans la seconde configuration, la chute de température est plus amortie que dans la première configuration durant les premiers mois, mais finit par la dépasser d’environ 2°C en moins d’une année. Cette approche est intéressante – si l’on considère que l’on puisse un jour cimenter le puits Vouters 2 – mais notre travail sur l’histoire de l’exploitation et nos discussions avec les anciens exploitants indique que les bures ne permettent très probablement pas le passage de l’eau (cf. page 30). De plus, rien n’empêche l’eau d’emprunter les bandes remontantes autour du puits, voire les veines remblayées via les stots endommagés, en cas de sollicitation par pompage.
3 Géomodèle de la zone d’étude
Une approche de modélisation spatialisée à l’aide d’un modèle maillé a été choisie dans la section précédente. Ce choix requiert de disposer d’un géomodèle détaillé.
Les origines des différentes contraintes de construction imposées à ce géomodèle seront expliquées plus loin. La construction en elle-même a été récemment détaillée [65], dans une publication jointe en Annexe 11. Les étapes de la construction sont reprises brièvement dans ce paragraphe, et quelques images intéressantes sont présentées.
A l’aide du géomodeleur Gocad, spécifiquement développé pour les géosciences et très utilisé par l’industrie pétrolière, il a été possible de construire un modèle surfacique tridimensionnel des dressants de Merlebach à partir des cartes, coupes et écorchés géologiques, des coupes des différents forages du secteur ainsi que les diverses données datant de l’exploitation minière présentées dans le chapitre 2.
Un modèle structural surfacique contenant les principales entités géologiques utiles (horizons et failles) a été produit grâce à des techniques classiques de géomodélisation [66]. Le résultat est illustré à la Figure 64.
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Figure 64 - Modèle structural du secteur ciblé du bassin houiller lorrain. D’après [65].
Des techniques récentes ont été utilisées par la suite pour modéliser les 71 veines de charbon exploitées et non exploitées qui sont des structures très fines (3 m de large environ) et discontinues, donc particulièrement complexes à représenter. Elles ont été traitées isolément par une approche implicite [67, 68] combinée à une méthode de remaillage de surfaces géologiques [69], puis intégrées au modèle structural.
Finalement, une grille cartésienne régulière 3D est construite à partir du modèle surfacique, contenant l’information topographique, les failles, les morts-terrains indifférenciés, les grès encaissants du charbon, les veines de charbon exploitées ou remblayées hydrauliquement ainsi que le squelette des infrastructures minières souterraines (Figure 65). La grille est exportable sous un format qui nécessite peu de manipulations avant d’être exploitable pour la modélisation hydrogéologique.
Après export, on obtient ainsi un maillage régulier d’environ 127 millions de mailles cubiques de 6 m de côté.
Ces mailles de 6 m de côté génèrent une perte d’information dans le détail du système « fines veines de charbon – encaissant inter-veines », dans la mesure où les veines ont en moyenne 3 m d’épaisseur dans notre secteur. Dans le cas des veines remblayées, le maillage extrait surévalue donc le volume de sable dans le système, donc les éventuels écoulements qui pourraient y avoir lieu.
On précise qu’il est possible de produire n’importe quel type de grille à partir du géomodèle, et donc de s’adapter à volonté aux contraintes de l’outil utilisé pour la modélisation hydrogéologique.
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Figure 65 - Ecorché du siège Vouters dans la grille 3D régulière au niveau de l’étage 686. La grille contient près de 127 millions de mailles cubiques de 6 m de côté. D’après [65].
4 Données indispensables au modèle maillé des dressants
de Merlebach
La construction d’un modèle maillé nécessite d’utiliser un certain nombre de paramètres hydrodynamiques et hydrodispersifs. Dans le Tableau 6, nous présentons le détail des paramètres et des valeurs considérées initialement, déterminées sur la base de la littérature existante [12, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78].
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Tableau 6 - Valeurs initiales des paramètres utilisés dans le modèle maillé des dressants de Merlebach
Paramètre Entité concernée Valeur
Conductivité hydraulique, en m/s
Charbon des veines non exploitées, Permien et puits
bétonnés 10
-8
Grès encaissants 10-6
Grès du Trias inférieur 10-5
Sable des veines
remblayées hydrauliquement 10-3 Vides miniers 1042 Porosité de drainage (emmagasinement libre) / Porosité cinématique (porosité efficace) en %
Charbon des veines non exploitées, Permien et puits
bétonnés 0,02
Grès encaissants 6
Grès du Trias inférieur 8
Sable des veines
remblayées hydrauliquement 15 à 24 suivant la profondeur
Vides miniers 100
Emmagasinement spécifique (emmagasinement captif normalisé par l’épaisseur de
l’entité), en m-1
Charbon des veines non exploitées, Permien et puits
bétonnés 10
-6
Grès encaissants 10-4
Grès du Trias inférieur 10-4
Sable des veines
remblayées hydrauliquement 10-4 Vides miniers 10-5 Coefficient de diffusion moléculaire (diffusivité solutale / massique), en m2/s Eau 1,5 .10-9 Dispersivité longitudinale, en m Grès encaissants, Grès du
Trias inférieur et Permien 50
Charbon des veines non exploitées, sable des veines
remblayées hydrauliquement 5
Vides miniers 0,5
Dispersivité transversale, en m
Grès encaissants, Grès du
Trias inférieur et Permien 5
Charbon des veines non exploitées, sable des veines
remblayées hydrauliquement 0,5
Vides miniers 0,05
5 Le code de calcul MARTHE
Le code de calcul pour la Modélisation d’Aquifères avec maillage Rectangulaire, Transport et HydrodynamiquE (MARTHE), développé par le BRGM, est un outil reconnu à l’échelle internationale, qui a été comparé à d’autres codes puis amélioré au fil des années depuis son lancement dans les années 1980 [79, 80, 81]. Comme son nom l’indique, il est destiné à modéliser les problèmes d’écoulement, et ce dans des configurations complexes. Ses
42 Cette valeur est prise un ordre de grandeur supérieur à la conductivité hydraulique des graviers les plus perméables, soit environ 1 m/s [71].
135 améliorations permanentes et « à la carte » lui forgent avec le temps une adaptabilité toujours plus grande.
MARTHE travaille à partir d’une forme discrétisée de l’équation de l’écoulement, par différences finies et selon une méthode implicite pure.