Évaluation expérimentale de l'impact de l'opération d'un puits à colonne permanente sur les risques de précipitation minérale dans un aquifère carbonaté

L'urbanisation et la densification concentrent des besoins toujours plus importants en chauffage et climatisation, demandant des solutions pour se chauffer et se rafraîchir performantes et compactes. Le puits à colonne permanente est une configuration de géothermie de très basse température particulièrement intéressante dans ce cas et plus généralement dans les aquifères peu perméables. Peu de travaux ont été réalisés sur les impacts géochimiques qu'un tel système peut avoir sur les eaux souterraines, en particulier dans les aquifères carbonatés et les risques d'entartrage et de colmatage qui y sont liés. Des approches de modélisation et en laboratoire ont été explorées. Aucune étude expérimentale in-situ ne s'intéresse aux risques de précipitations carbonatées dans en conditions réelles. Ce projet de maîtrise cherche à évaluer expérimentalement l'impact géochimique de l'opération d'un puits à colonne permanente dans un aquifère carbonaté. Pour cela, il utilise un laboratoire mobile capable de reproduire les besoins en chauffage et en climatisation d'un bâtiment de plusieurs étages qui exploite un puits à colonne permanente et son puits annexe. Pour mieux comprendre les circulations d'eau entre le puits principal et le puits d'injection, en particulier lors d'une saignée, des essais de traçage sont réalisés. Ils mettent en évidence une communication hydraulique rapide et de surface entre les deux puits et l'importance du renouvellement par les circulations hydrogéologiques ambiantes. Pour déterminer le rôle de l'hydrochimie souterraine régionale dans la qualité des eaux observée dans le puits principal et ses évolutions, un suivi de paramètres physico-chimiques, chimiques et isotopiques est effectué et mis en contexte avec des données à plus grande échelle. Les concentrations en calcium sont principalement contrôlées par les apports d'eau souterraine et il existe une triple origine de la salinité de l'eau. Enfin, ce suivi informe aussi de l'impact de l'opération de l'unité géothermique sur la chimie de l'eau du puits principal, en particulier la précipitation et dissolution de calcite. Cette dernière est très limitée, la chimie des carbonates étant avant tout contrôlée par les apports d'eau régionale et les réactions d'équilibre entre CO2 dissous, bicarbonates et carbonates.

Abstract

Urbanization and densification concentrate more and more important needs for heating and climatization, asking for more and more efficient and compact solutions. The standing column well is a very low geothermal system particularly interesting in that case and more generally in low permeability aquifers. Little work has been done on the geochemical impacts such a system could have on groundwater, especially in carbonated aquifers and the related hazards of scaling and clogging. A numerical model and laboratory experiments have been realized but no experimental in-situ study has been carried about carbonated precipitation hazards in a regional context. This project aims to experimentally assess the geochemical impact of the operation of a standing column well in a carbonated aquifer. In order to better understand water circulations between the main well and the injection well, in particular during a bleed, tracer tests are conducted. They highlight a quick and near surface hydraulic communication and the extent of the renewal by ambient hydrogeological circulations. To determine the role of the regional underground hydrochemistry in the water quality observed in the main well and its evolutions, physical-chemical, chemical and isotopic parameters are monitored and put into perspective with larger scale data. Calcium concentrations are mainly controlled by groundwater intakes and there is a triple origin of salinity. This monitoring also informs about the impact of the operation of the geothermal unit on the chemistry of the main well, particularly on the precipitation and dissolution of calcite. The latter is very limited, the chemistry of carbonates is above all controlled by regional groundwater intakes and equilibrium reactions between dissolved CO2, bicarbonates and carbonates.