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Université du Québec Institut National de la Recherche Scientifique Centre Eau

Université du Québec Institut National de la Recherche Scientifique Centre Eau Terre Environnement Analyse de la fracturation et de la perméabilité des grès du Groupe de Potsdam face aux ressources géothermiques profondes Par Laurent Gauchat Mémoire ou thèse présentée pour l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.) en sciences de la terre Jury d’évaluation Président du jury et Jasmin Raymond examinateur interne INRS-ETE Examinateur externe Chrystel Dezayes BRGM Directeur de recherche Michel Malo INRS-ETE © Droits réservés de (Laurent Gauchat), 2017 iii REMERCIEMENTS Je tiens ici à sincèrement remercier toutes les personnes qui m’ont aidé à réaliser ce travail. Je veux tout d’abord remercier Michel Malo et Jasmin Raymond, mes directeur et codirecteur de recherche, qui m’ont permis de réaliser cette maîtrise. Merci pour votre soutien, vos conseils et votre disponibilité quand j’en ai eu besoin durant les trois dernières années. J’aimerais aussi remercier Félix-Antoine Comeau et Karine Bédard pour leurs précieux conseils et leur aide à la réalisation de mon projet de maîtrise. Merci d'avoir été là tout au long de mes travaux et merci pour votre aide sur le terrain. Merci à tous mes collègues à l’INRS, à tous mes amis que j’ai rencontrés à Québec et plus particulièrement à Julien Mocellin, pour leur aide et leur soutien. Merci à ma copine Rachel pour m’avoir supporté tout au long de ces travaux et à travers tous ces aller-retours entre Québec et Montréal. Je voudrais aussi remercier Michel Lamothe pour m’avoir donné l’occasion de travailler dans son laboratoire durant mon baccalauréat et de m’avoir transmis une partie de son savoir. J’aimerais remercier ma famille, mes parents et ma sœur pour m’avoir soutenu tout au long de mes études. Finalement, j’aimerais remercier mes amis de baccalauréat : Simon, Géo, Fred, Pierre-Luc, Christo et Eric pour m’avoir aidé à développer mon amour de la géologie. v RÉSUMÉ Le spectre des changements climatiques dus à l’augmentation des gaz à effet de serre amène à réévaluer les sources d’énergie utilisées. La géothermie est une alternative à explorer pour diversifier les sources d’énergie au Québec. Grâce à l’avancement des technologies et l’arrivée des centrales géothermiques à cycle binaire, il est désormais possible d’envisager la production d’électricité dans les bassins sédimentaires profonds, comme celui des Basses-Terres du Saint-Laurent. La perméabilité, la porosité et la fracturation des roches-réservoirs sont des facteurs primordiaux à évaluer pour l’exploitation d’un réservoir géothermique en profondeur. Ces facteurs doivent être évalués dans le grès de base du Groupe de Potsdam à proximité de l’interface avec le socle, puisqu’il s’agit de la zone ayant le plus de potentiel lorsque le contact est suffisamment profond. À l’aide de données collectées sur le terrain et de données échantillonnées dans des carottes de forage, il est possible d’affirmer que le taux de fracturation est faible dans le grès profond et que la majeure partie des fractures présentes à proximité de l’interface sont remplies par des ciments ou de la matrice. Les fractures sont généralement subverticales avec les orientations dominantes E-O, N-S et NO-SE. Pour ce qui est de la porosité des grès, les résultats de diagraphie et les analyses faites par l’industrie pétrolière montrent des porosités allant majoritairement de 0 à 5%. En lame mince, on voit que la porosité est très faible en dehors de quelques zones non cimentées dans lesquelles la porosité peut atteindre 25 à 30%. L’analyse des rapporst de forage montrent que ces zones de bonne porosité sont lessivées, et que le grès y est bien trié. Les essais en tige indiquent des valeurs de perméabilité faible autour de 0,1 mD à 1 mD, avec des valeurs allant de 0,001 mD à 15mD. Il est difficile d’établir un lien définitif entre les porosités et les perméabilités, mais les données disponibles relient les porosités superieures à 6% à des zones avec absence de ciment où le grès est bien trié. Les simulations de pompage montrent que sans fracture avec un pompage réaliste, le rabattement est trop fort, augmentant fortement la puissance de pompage requise, rendant le sénarios non-économiques. Pour obtenir des puissances de pompage économique, il faut de la fracturation. Les deux types de simulation avec fracturation arrivent à cette même conclusion. Il est ainsi possible d’envisager exploiter le grès de base du Groupe de Potsdam comme réservoir géothermique si la fracturation artificielle de la roche est faisable. vii TABLE DES MATIÈRES Chapitres 1 INTRODUCTION ....................................................................................................................... 14 1.1 LA GÉOTHERMIE ..................................................................................................................... 14 1.2 PROBLÉMATIQUE ................................................................................................................... 18 1.3 OBJECTIFS ............................................................................................................................... 24 2 MÉTHODOLOGIE ..................................................................................................................... 24 2.1.1 Fracturation ........................................................................................................................... 25 2.1.2 Lithologie ............................................................................................................................... 25 2.1.3 Porosité ................................................................................................................................. 26 2.1.4 Perméabilité ........................................................................................................................... 27 2.1.5 Simulation .............................................................................................................................. 32 2.2 CONTEXTE GÉOLOGIQUE ..................................................................................................... 38 2.2.1 Grenville ................................................................................................................................ 38 2.2.2 Bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent ......................................................................... 38 2.2.3 Appalaches ............................................................................................................................ 41 2.3 LES GRES DU POTSDAM ............................................................................................................... 42 2.3.1 Travaux anterieurs sur le Potsdam ....................................................................................... 42 2.3.2 Lithologies des grès du Potsdam .......................................................................................... 44 3 RESULTATS ............................................................................................................................. 46 3.1 FRACTURATION DANS LE POTSDAM ................................................................................... 46 3.1.1 La fracturation en surface ...................................................................................................... 46 3.1.2 Les fractures en profondeur .................................................................................................. 51 3.2 LITHOLOGIE, POROSITÉ ET PERMEABILITÉ ........................................................................ 55 3.2.1 Lithologie et porosité en échantillons et en lames minces. ................................................... 55 3.2.2 Porosité en diagraphie .......................................................................................................... 61 3.2.3 Perméabilité ........................................................................................................................... 66 3.2.4 Simulation de pompage ......................................................................................................... 75 4 DISCUSSION ............................................................................................................................ 86 5 CONCLUSION .......................................................................................................................... 89 6 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 91 7 ANNEXE I - POROSITÉ DANS LES PUITS. ........................................................................... 94 viii 7.1 A126 .......................................................................................................................................... 94 7.2 A156 .......................................................................................................................................... 96 7.3 A172 .......................................................................................................................................... 97 7.4 A186 ........................................................................................................................................ 100 7.5 A192 ........................................................................................................................................ 103 7.6 A196 ........................................................................................................................................ 105 7.7 A197 ........................................................................................................................................ 109 8 ANNEXE II - PERMEABILITE ................................................................................................ 111 8.1 PUITS A156 - HUSKY, GENTILLY NO1 ......................................................................................... 111 8.1.1 Données du DST1 ISI A156 ................................................................................................ 111 8.1.2 Graphique de Horner du DST1 ISI A156 ............................................................................ 111 8.1.3 Données du DST1 FSI A156 ............................................................................................... 112 8.1.4 Graphique de Horner du DST1 FSI A156 .......................................................................... 112 8.1.5 Données du DST3 ISI A156 ................................................................................................ 113 8.1.6 Graphique de Horner du DST3 FSI A156 ........................................................................... 113 8.1.7 Données du DST3 FSI A156 ............................................................................................... 114 8.1.8 Graphique de Horner du DST3 FSI A156 .......................................................................... 114 8.2 PUITS A158 – HUSKY BRUYERES NO1 ....................................................................................... 115 8.2.1 Données du DST3 ISI A158 ................................................................................................ 115 8.2.2 Graphique de Horner du DST3 ISI A158 ........................................................................... 115 8.2.3 Données du DST3 FSI A158 ............................................................................................... 116 8.2.4 Graphique de Horner du DST3 FSI A158 ........................................................................... 116 8.3 PUITS A176 – SOQUIP ET AL., ANCIENNE-LORETTE NO 1 .......................................................... 117 8.3.1 Données du DST1 ISI A176 ................................................................................................ 117 8.3.2 Graphique de Horner du DST1 1SI A176 ........................................................................... 117 8.3.3 Données du DST1 FSI A176 ............................................................................................... 118 8.3.4 Graphique de Horner du DST1 FSI A176 .......................................................................... 118 8.4 PUITS A191 – SOQUIP, SAINT-JANVIER-DE-JOLY NO 1 ............................................................. 119 8.4.1 Données du DST3 ISI A191 ................................................................................................ 119 8.4.2 Graphique de Horner du DST3 ISI A191 ........................................................................... 119 8.4.3 Données du DST3 FSI A191 ............................................................................................... 120 8.4.4 Graphique de Horner du DST3 FSI A191 ........................................................................... 120 8.4.5 Données du DST4 ISI A191 ................................................................................................ 121 8.4.6 Graphique de Horner du DST4 ISI A191 ............................................................................ 121 8.4.7 Données du DST4 FSI A191 ............................................................................................... 122 8.4.8 Graphique de Horner du DST4 FSI A191 ........................................................................... 122 8.5 PUITS A192 – SOQUIP, SAINTE-CROIX NO 1 LOTBINIERE .......................................................... 123 ix 8.5.1 Données du DST2 FSI A192 ............................................................................................... 123 8.6 GRAPHIQUE DE HORNER DU DST2 FSI A192 ............................................................................. 123 8.7 PUITS A196 – SOQUIP PETROFINA, SAINT-LOUIS-DE-BLANDFORD NO 1 .................................... 124 8.7.1 Données du DST1 FSI A196 ............................................................................................... 124 8.7.2 Graphique de Horner du DST1 FSI A196 ........................................................................... 124 9 ANNEXE III - SIMULATION .................................................................................................... 125 9.1 DONNEES DE RABATTEMENT ...................................................................................................... 125 9.1.1 Solution sans fracturation, Pompage à 10 000m3j-1 ............................................................ 126 9.1.2 Solution sans fracturation, Pompage à 5000 m3j-1 .............................................................. 129 9.1.3 Solution sans fracturation, Pompage à 1500 m3j-1 .............................................................. 131 9.1.4 Solution avec fracturation 5000 m3j-1 par jour k = 0.1; 1; 10 fracture 2500 m et 500 m ...... 134 9.1.5 Solution avec double porosité ............................................................................................. 137 xi LISTE DES TABLEAUX TABLEAU 2-1. PRESSION MESUREE EN FONCTION DU TEMPS ............................................................................ 30 TABLEAU 2-2. DONNEES DU RESERVOIR ......................................................................................................... 30 TABLE 3-1. TABLEAU DES VALEURS MOYENNES DE POROSITE .......................................................................... 63 TABLE 3-2. DONNEES DE PERMEABILITE (MD), (A) CALCULEES AVEC HORNER (1951), (B) SELON GIROU (2016), (C) SELON TRAN NGOC ET AL. (2014), (D) EXTRAITES DES RAPPORTS DE FORAGE. ................................... 68 TABLE 3-3. PUISSANCE DE POMPAGE (MW) SELON LA PERMEABILITE NATURELLE DU RESERVOIR (MD) .............. 77 TABLE 3-4. PUISSANCES DE POMPAGE (MW) EN FONCTION DU RAYON DE LA FRACTURE HORIZONTAL (M) ET DE LA PERMEABILITE DE LA ROCHE (MD) .......................................................................................................... 77 xii LISTE DES FIGURES FIGURE 1-1. CYCLE D’UNE CENTRALE GEOTHERMIQUE BINAIRE (LUND, 2007) .................................................. 16 FIGURE 1-2. SYSTEME GEOTHERMIQUE OUVRAGE (HUANG, 2012) ................................................................... 17 FIGURE 1-3. CARTE GEOLOGIQUE MONTRANT LES BASSINS SEDIMENTAIRES DU SUD DU QUEBEC (COMEAU ET AL., 2012 ; Ꞓ CAMBRIEN, O ORDOVICIEN, S SILURIEN, D DEVONIEN, C CARBONIFERE, P PERMIEN) ............... 21 FIGURE 1-4. CARTE GEOLOGIQUE DU BASSIN DES BASSES-TERRES DU SAINT-LAURENT (COMEAU ET AL., 2012) ............................................................................................................................................................ 22 FIGURE 1-5. COUPE STRATIGRAPHIQUE DU BASSIN DES BASSES-TERRES DE SAINT-LAURENT (COMEAU ET AL., 2012) .................................................................................................................................................. 23 FIGURE uploads/Geographie/ shrhpdf.pdf