La tomographie par résistivité électrique (ERT) permet d’évaluer les modifications du sous-sol en mesurant la conductivité électrique dans la roche. L’ERT produit ensuite des images 4D (c’est-à-dire en 3D plus un intervalle de temps) du sous-sol. Crédit : Tim C. Johnson et Mike Perkins Pacific Northwest National Laboratory
Le flux de courant électrique signale des changements dans les fractures du sous-sol.
Le granit brûlant du sous-sol peut être exploité pour produire de l’énergie en ouvrant des fissures dans la roche. Cette ressource potentielle, connue sous le nom d’énergie géothermique améliorée, nécessite une perception claire des changements qui se produisent dans la roche au fil du temps – une image complexe qui peut être difficile à saisir.
Une équipe dirigée par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a démontré une nouvelle façon de surveiller les fractures profondes de la subsurface. La technique, la tomographie de résistivité électrique (ERT), évalue les changements souterrains en mesurant la conductivité électrique de la roche. L’ERT produit des images 4D (c’est-à-dire en 3D et en temps différé) du sous-sol.
Qu’est-ce qu’un système géothermique amélioré ?
Les systèmes géothermiques conventionnels dépendent de l’eau préexistante et des voies d’écoulement qui se trouvent déjà dans la roche chaude. En injectant de l’eau et des fissures, un système géothermique amélioré capte la chaleur piégée dans la roche sèche. Les opérateurs forent deux puits souterrains à des milliers de pieds sous la surface, puis pompent un fluide à haute pression dans la roche entre les puits pour la fracturer. Le processus de fracturation pour obtenir de la chaleur est comparable à la fracturation de la roche de schiste pour libérer le pétrole et le gaz.
Les températures à ce niveau peuvent atteindre plus de 200 ºC (392 ºF). L’eau pompée d’un puits à l’autre et remontant à la surface récupère la chaleur de la roche, générant de la vapeur qui peut actionner une turbine pour produire de l’électricité.
On estime que les systèmes géothermiques améliorés pourraient fournir 100 gigawatts d’électricité, soit assez pour alimenter 100 millions de foyers. Mais ces systèmes impliquent des forages coûteux et nécessitent une meilleure surveillance et une meilleure prévision des changements souterrains afin de réduire l’incertitude et le risque associés à un projet donné.
Comme tout environnement souterrain, les systèmes géothermiques améliorés évoluent avec le temps. Les fractures de la roche s’ouvrent et se referment en réponse aux contraintes causées par les injections de fluide à haute pression, modifiant ainsi la production de chaleur du système. L’activité sismique est l’un des indicateurs de la contrainte souterraine, mais les informations provenant de la surveillance microsismique sont limitées.
“Dans ces roches chaudes et profondes, il est trop coûteux de forer suffisamment de puits de surveillance pour comprendre ce qui se passe à l’aide d’un échantillonnage direct”, a déclaré Tim Johnson, informaticien au PNNL et co-auteur de l’étude. “L’objectif principal de ce projet est de mieux comprendre, et finalement de prédire, comment les fractures vont se comporter dans un environnement à forte contrainte lorsque vous essayez de les connecter entre deux puits.”
Obtenir une image plus claire du sous-sol
L’ERT consiste à insérer des électrodes métalliques dans des forages de surveillance, puis à prendre des images de la conductivité de la roche lorsqu’un courant électrique est envoyé entre elles. L’augmentation de la conductivité au fil du temps indique les endroits où les fractures s’ouvrent ; lorsque les fractures sont plus petites ou fermées, la conductivité diminue. Johnson a développé un logiciel appelé E4D qui fonctionne sur des superordinateurs et transforme toutes ces informations électriques en un visuel qui ressemble à une carte thermique, affichant les fluctuations de la conductivité au fil du temps. En 2016, E4D a été récompensé par un prix R&D 100.
Tomographie de résistivité électrique en time-lapse. Crédit : Tim Johnson, et al. Pacific Northwest National Laboratory
“C’est similaire à l’imagerie médicale, sauf que vous faites un laps de temps”, a déclaré Johnson. “Vous observez donc comment les choses changent, et généralement le changement est lié à la façon dont le fluide s’écoule dans le sous-sol.”
Johnson et d’autres chercheurs du PNNL ont été les premiers à utiliser l’ERT comme outil de surveillance 3D, et l’E4D à des profondeurs moindres, jusqu’à 350 pieds, où il a été utilisé pour détecter et tracer des contaminants, par exemple. Pour le tester dans le sous-sol profond, l’équipe l’a déployé dans l’installation de recherche souterraine de Sanford, à Lead, dans le Dakota du Sud. Ces travaux, qui sont soutenus par l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy du Department of Energy (DOE) par l’intermédiaire de son Geothermal Technologies Office, s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration plus large au sein du DOE visant à améliorer l’accès aux ressources naturelles et le stockage dans le sous-sol. Le Lawrence Berkeley National Laboratory dirige cet effort, connu sous le nom de Enhanced Geothermal Systems (EGS) Collab. Les laboratoires partenaires sont le PNNL, les Sandia National Laboratories et le Lawrence Livermore National Laboratory,Idaho National Laboratory, et Los Alamos National Laboratory.
Pionnier d’une nouvelle technique d’imagerie de subsurface
L’objectif de la surveillance par ERT à Sanford était de surveiller l’écoulement des fluides, comme cela avait été fait à des niveaux moins profonds. Mais les résultats initiaux ne semblaient pas correspondre à ces utilisations antérieures.
“Ce que nous voyions avec les changements de conductivité n’avait pas de sens en termes de flux de fluide”, a déclaré Johnson. Mais si la conductivité ne reflétait pas le mouvement des fluides, que montrait-elle ?
Le banc d’essai expérimental est situé dans un tunnel de mine à 4 850 pieds sous la surface, dans le Sanford Underground Research Facility. Crédit : Hunter Knox Pacific Northwest National Laboratory
Johnson a découvert la réponse après des années de recherche dans des articles scientifiques des années 1960 et 1970. Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et du Lawrence Berkeley National Laboratory avaient déjà remarqué des variations de la conductivité des roches cristallines en réponse au stress – dans des expériences en laboratoire, la compression de la roche la rendait moins conductrice. Cela indique que l’ERT ne se contentait pas de suivre les fluides sous terre. Il mesurait la façon dont les fractures s’ouvraient et se refermaient en réponse au stress.
“Une fois que nous avons fait ce lien, tout a pris un sens en termes de ce que les images en temps réel faisaient “, a déclaré Johnson.
L’ERT présente plusieurs avantages. Sans pièces mobiles et avec des électrodes installées à l’extérieur du tubage du puits, l’équipement nécessite peu de maintenance et peut fonctionner pendant les injections. De plus, l’imagerie se fait en temps réel, ce qui permet aux opérateurs de l’installation d’obtenir des informations qu’ils peuvent utiliser presque immédiatement si nécessaire. Cependant, l’ERT ne peut pas être utilisé avec les tubages de puits métalliques, qui sont omniprésents dans les projets de subsurface profonde.
Il existe des moyens de contourner cet obstacle, comme l’utilisation d’un tubage en fibre de verre, le revêtement du tubage avec un époxy non métallique ou l’utilisation d’un matériau non métallique différent. Mais pour l’instant, Johnson et son équipe continuent d’améliorer et de tester l’utilisation de l’ERT à l’installation de Sanford.
Référence : “4D Proxy Imaging of Fracture Dilation and Stress Shadowing Using Electrical Resistivity Tomography During High Pressure Injections Into a Dense Rock Formation” par T. C. Johnson, J. Burghardt, C. Strickland, H. Knox, V. Vermeul, M. White, P. Schwering, D. Blankenship, T. Kneafsey et l’équipe EGS Collab, 08 octobre 2021, Journal of Geophysical Research : Terre solide.
DOI : 10.1029/2021JB022298
