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Caractérisation hydrogéothermique d'un aquifère fracturé accueillant un système géothermique avec puits à colonne permanente

Stéphanie Robert

Master's thesis (2022)

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Abstract

Standing column wells are particularly efficient ground heat exchangers open to the aquifer and employ groundwater as the heat transfer fluid. There are currently a limited num- ber of publications investigating the impact of hydrostratigraphic conditions on the thermal response of a well that have involved experimental tests. To date, the available work is primarily based on modelling and most often involves bleed. This document presents the hydrogeothermal characterization of a site that allowed the study of a standing column well operated without bleed in a fractured aquifer. Following a review of the geological and hy- drogeological context at the regional scale, the Clé-des-Champs School located in Mirabel (Quebec) was selected to host a standing column well system. The hydrogeothermal characterization of the aquifer involved two exploratory boreholes, a thermal response test, a pumping test, geochemical analyses of the groundwater and ve- locimetry profiles. This allowed to establish a detailed picture of the site and to confirm the significant geothermal potential to implement standing column wells. Indeed, the thermal response test revealed a significant thermal performance, even for a standing column well operated without bleed. The first-order infinite line source approximation did not yield a re- alistic thermal conductivity value for the geologic materials around the well. It was deduced that conduction alone could not explain the thermal response obtained. To explore this hy- pothesis, a more advanced study was required to understand the heat transfer mechanisms that occurred during the thermal response test. Thus, a 3D numerical finite element model coupling heat transfer and groundwater flow was developed based on the field observations to interpret the thermal response test. The model was also developed to study the influence of the hydrostratigraphic context on the thermal response of a standing column well operated without bleeding. Indeed, the aquifer located at the Clé-des-Champs School site is characterized by a fractured and transmissive zone, observed in the lower part of the boreholes, and which corresponds to the Cairnside Forma- tion. Modelling works has shown that in these geological conditions, advection, could be the dominant heat transfer mechanism, even without bleed. In addition, the work highlighted the influence of hydrostratigraphic conditions on the interpretation of the thermal response test, i.e., the average value as well as the hydraulic conductivity profile influence the thermal response of the well. This showed that the first-order approximation of the infinite source line cannot always be used to interpret thermal response tests performed on standing column wells. The results also support the fact that a fracture at the base of the well, under the conditions encountered at Mirabel, may slightly affect the thermal performance of the well. An erroneous assessment of the hydrogeological parameters could lead to an inappropriate design of the system. This conclusion calls for caution and encourages a hydrogeological study to properly define the hydrostratigraphic context in order to consider its effect when interpreting thermal response tests.

Résumé

Les puits à colonne permanente sont des échangeurs souterrains ouverts sur l'aquifère qui sont particulièrement efficaces et emploient l'eau souterraine comme fluide caloporteur. On compte actuellement un nombre limité de publications étudiant l'impact des conditions hydrostrati- graphiques sur la réponse thermique d'un puits ayant impliqué des essais expérimentaux. À ce jour, les travaux disponibles reposent principalement sur la modélisation et impliquent le plus souvent une opération avec saignée. Ce mémoire présente la caractérisation hydrogéo- thermique d'un site qui a permis l'étude d'un puits à colonne permanente opéré sans saignée dans un aquifère fracturé. Suite à une revue du contexte géologique et hydrogéologique à l'échelle régionale, l'École de la Clé-des-Champs située à Mirabel (Québec) a été sélectionnée pour accueillir un système doté de puits à colonne permanente. La caractérisation hydrogéothermique de l'aquifère réalisée a impliqué deux forages explora- toires, un essai de réponse thermique, un essai de pompage, des analyses géochimiques de l'eau souterraine et des profils de vélocimétrie en forage. Ceci a permis d'établir un portrait détaillé du site et de confirmer l'important potentiel géothermique pour l'implantation de puits à colonne permanente. En effet, l'essai de réponse thermique a révélé une performance thermique significative, même pour un puits à colonne permanente, alors que ce dernier a été opéré sans saignée. L'approximation de premier ordre de la source linéique infinie n'a pas permis d'obtenir une valeur de conductivité thermique réaliste pour les matériaux géologiques autour du puits. Il en a été déduit que la conduction seule ne pouvait expliquer la réponse thermique obtenue. Pour explorer cette hypothèse, une étude plus avancée a été requise pour comprendre les mécanismes de transfert de chaleur qui sont intervenus pendant l'essai de réponse thermique. Ainsi, un modèle numérique 3D d'éléments finis couplant le transfert de chaleur et l'écou- lement souterrain a été développé sur la base des observations de terrain afin d'interpréter l'essai de réponse thermique. Le modèle a également été développé dans le but d'étudier l'influence du contexte hydrostratigraphique sur la réponse thermique d'un puits à colonne permanente opéré sans saignée. En effet, l'aquifère situé au site de l'École de la Clé-des- Champs est entre autres caractérisé par une zone fracturée et transmissive, observée dans la partie inférieure des forages, et qui correspond à la Formation de Cairnside. Les travaux de modélisation ont permis de noter que dans ces conditions géologiques, l'advection, même sans saignée, pouvait être le mécanisme de transfert de chaleur dominant. De plus, les travaux ont mis en lumière l'influence des conditions hydrostratigraphiques sur l'interprétation de l'essai de réponse thermique, soit que la valeur moyenne ainsi que le profil de conductivité hydraulique influencent la réponse thermique du puits. Ceci a permis de montrer que la ap- proximation de premier ordre de la ligne source infinie comme méthode d'interprétation ne peut pas toujours être employée pour interpréter les essais de réponse thermique réalisés sur les puits à colonne permanente, même en l'absence de saignée. Les résultats supportent également le fait qu'une fracture à la base du puits, dans les condi- tions rencontrées à Mirabel, peut légèrement nuire à la performance thermique du puits. Une évaluation erronée des paramètres hydrogéologiques pourrait mener à une conception inappropriée du système. Une conclusion qui appelle à la prudence et qui encourage la réa- lisation d'une étude hydrogéologique pour bien définir le contexte hydrostratigraphique afin de considérer son effet lors de l'interprétation des essais de réponse thermique.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Philippe Pasquier and Alain Nguyen
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10352/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:11
Last Modified: 08 Apr 2024 10:24
Cite in APA 7: Robert, S. (2022). Caractérisation hydrogéothermique d'un aquifère fracturé accueillant un système géothermique avec puits à colonne permanente [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10352/

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