Évaluation des paramètres influençant les températures d'opération des puits à colonne permanente

Le Puits à Colonne Permanente (PACP), communément appelé « standing column well » par la communauté scientifique anglophone, est un type de puits géothermique utilisant l'eau souterraine comme fluide caloporteur. L'eau pompée à partir de la base du puits, généralement à l'aide d'une conduite de refoulement, est acheminée à un échangeur de chaleur avant d'être réintroduite au haut du puits, entre la conduite de refoulement et la paroi du forage. Bien que les PACPs soient généralement aménagés au sein de forages relativement profonds, la performance thermique de chaque puits est telle qu'elle permet d'importantes réductions des longueurs de forages totales requises pour une charge donnée par rapport aux systèmes géothermiques à boucles fermées. La réduction des longueurs de forages aura généralement un impact majeur sur les coûts de construction des systèmes géothermiques. Les modèles de PACP existant supposent généralement un aquifère homogène, isotrope où les températures des composantes de la matrice géologique sont en équilibre thermique quasi instantanées. Selon Banks (2008), ces hypothèses sont moins précises dans les milieux géologiques fracturés et lithifiés, généralement propices à l'implantation de PACPs. L'objectif principal de ce travail est de démontrer que la présence de zones fracturées peut avoir un impact non négligeable sur l'opération des PACPs. L'approche proposée consiste à élaborer et valider un modèle numérique basé sur l'hypothèse d'un écoulement en milieu poreux équivalent. Ce modèle sera ensuite transformé afin d'y intégrer un horizon dont la conductivité hydraulique est nettement supérieure, représentant une zone de fractures. Les modèles développés seront soumis à une série de simulations afin d'illustrer leur fonctionnement et d'observer les paramètres influençant les températures d'opération. Les simulations réalisées dans le cadre de cette étude ont permis de démontrer que la présence d'une seule zone de fractures peut avoir un effet bénéfique non négligeable sur les performances d'un PACP. Le modèle au milieu poreux équivalent et au milieu fracturé présentent des différences de température particulièrement importantes lorsqu'ils sont opérés à une saignée de 10 % à 20 %, correspondant d'ailleurs aux pourcentages typiques d'opération de la saignée. Plusieurs paramètres caractérisant le milieu géologique ont un impact considérable sur les performances du PACP en opération.

Abstract

A Standing column well (SCW) is a type of geothermal well which uses groundwater as its heat carrier fluid. The groundwater is usually pumped from the base of the well through a dip tube and sent through a heat exchanger before being reintroduced at the top of the well, in-between the dip tube and the borehole wall. Although SCWs are generally built within deep boreholes, the thermal performance of each well is such that, in comparison to closed loop geothermal wells, it allows a significant reduction in total required drilling depths for a given load. Reductions in total drilling depths will generally have a significant impact on the construction costs of geothermal systems. Existing SCW models generally assume a homogeneous and isotropic aquifer, where the components of the geological matrix are practically in instantaneous thermal equilibrium. According to Banks (2008), these assumptions are less accurate in geological formations characterised by fractured, lithified bedrock, which are generally the most favourable to SCW application. The objective of this work is to demonstrate that the presence of a fracture zone can have a significant impact on the operation of the SCW. The proposed approach is to develop and validate a numerical model based on the assumption of flow in an equivalent porous media. The model will then be transformed to include a high hydraulic conductivity layer representing fractured bedrock. Since little information on the thermo-hydraulic response of SCWs is accessible to designers, the models will be subjected to a series of tests to illustrate their behaviour under various operating conditions. This study demonstrates that the presence of a single fracture zone within the bedrock can have a significant beneficial effect on the performance of SCWs. Temperature differences between the porous medium model and the fractured model were particularly important when the SCW was operated at bleed ratios of 10 % to 20 %, corresponding to typical bleed percentages. Several parameters which characterise the geological medium have a significant impact on the performance of operating SCWs. The parameters having the most significant impact on operating temperatures are the thermal and hydraulic conductivities of the bedrock while porosity has little effect on these results. The analysis showed that hydraulic conductivity had a particularly significant impact while the operating system was in transient mode, prior to the settlement of the drawdown cone.