La connaissance des réseaux de fractures est essentielle pour comprendre la circulation des fluides dans un réservoir. Cette thèse s’appuie sur la reconnaissance du réseau de fractures naturelles qui chenalisent les circulations à l’échelle des deux forages profonds GRT-1 et GRT-2 de Rittershoffen (Alsace, France) qui ont recoupé les sédiments gréseux triasiques et le socle granitique altéré dans le cadre d’un projet industriel de géothermie. L’étude structurale de ce réseau de fractures a été réalisée à partir d’imageries de paroi acoustiques corrélées à des diagraphies géophysiques standard tandis que l’étude pétro-minéralogique se base sur les échantillons de cuttings. Les zones de fractures perméables des puits de Rittershoffen montrent une organisation asymétrique de la perméabilité. Des fractures ouvertes à l’échelle du puits semblent agir comme des drains perméables entourés de halos d’altération hydrothermale. Ces zones de fractures sont associées à des perturbations locales du profil de température dans le puits. La présence de minéraux illitiques hétérogènes pourrait être un indicateur pour prospecter les zones de circulations actuelles et passées à l’échelle des puits. Cette étude géologique permet d’évoluer vers un modèle de forage hydrothermal possédant des connexions favorables avec le réservoir sans avoir recours à des opérations de stimulation. / The knowledge of the fracture network is a key challenge to understand the fluid circulation through a reservoir. The aim of this PhD project is to investigate the natural fracture network that channelized the hydrothermal circulations into two deep wells GRT-1 and GRT-2 at Rittershoffen (Alsace, France) that intersect Triassic sandstones and altered granitic basement in the framework of an industrial geothermal project. The structural study of the fracture network was based on acoustic image logs correlated with standard geophysical logs, whereas the mineralogical study was based on cutting samples. Permeable fracture zones of wells at Rittershoffen present an asymmetrical organization of permeability. Open fractures at the borehole scale act as fluid pathways surrounded by halos of hydrothermal alteration. These fracture zones are associated with local thermal anomalies in the temperature profiles at the borehole scale. Occurrences of heterogeneous illitic minerals could be a good indicator to prospect zones of actual and past circulations at the borehole scale.

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation. / This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation.

Utilisée depuis des milliers d’années sous ses manifestations naturelles par l’Homme, cette ressource fait l’objet d’une exploitation commerciale depuis seulement le XXe siècle, à destination du chauffage de bâtiments, de certains usages industriels ainsi que de la production d’électricité. La France compte parmi les pionniers concernant l’usage direct de la chaleur alors qu’aucune filière industrielle n’est véritablement effective pour la production d’électricité d’origine géothermique. Le projet sélectionné, intitulé FONGEOSEC, a pour objectif la conception et la réalisation d’un démonstrateur innovant préindustriel d’une centrale géothermique haute enthalpie exploité par cogénération d’électricité et de chaleur. Un travail de recherche et développement, conduit par un consortium composé de partenaires industriels et scientifiques, vise au lancement de la filière industrielle géothermique haute température en France. L’objectif général des travaux de thèse porte sur une meilleure compréhension globale des comportements hydrauliques, massiques et thermiques des formations profondes en réponse à une sollicitation anthropique de longue durée. Il s’agit d’identifier les paramètres clés régissant la réponse du complexe réservoir à la suite d’une exploitation géothermique. Un point particulier sera consacré à caractériser la part de chacun des modes de transport de chaleur en milieu poreux – conduction thermique, convection libre et forcée – dans l’établissement des performances thermiques de l’ouvrage considéré. Plusieurs dispositifs techniques d’exploitation seront proposés afin de réduire les incertitudes associées au système géothermique souterrain et garantir le succès du projet FONGEOSEC. L’impact des mécanismes thermo-convectifs au voisinage des forages d’exploitation géothermique de grande profondeur reste peu documenté, a fortiori dans le cas de dispositifs déviés adoptant une complétion particulière. L’outil retenu pour l’évaluation des performances du dispositif au contact de l’encaissant est la modélisation numérique distribuée. La variabilité des propriétés physiques de l’hydrosystème, de la conception et des modalités d’exploitation du dispositif sur le comportement hydraulique et thermique de l’exploitation est envisagée selon différentes approches développées à partir de modèles numériques 3D. / Used for thousands of years under its natural manifestations, this resource has been commercially exploited since the twentieth century, for the heating of buildings, certain industrial uses and the production of electricity. France is one of the pioneers in the direct use of heat, whereas no industrial cluster is truly effective for the production of geothermal electricity. The selected project, FONGEOSEC, aims to design and produce an innovative pre-industrial demonstrator of a high enthalpy geothermal power plant operated by cogeneration of electricity and heat. A research and development project, led by a consortium of industrial and scientific partners, aims to launch the high-temperature geothermal industrial sector in France. The general objective of this thesis is to improve the understanding of the hydraulic, mass and thermal behavior of deep porous formations in response to long-term anthropogenic stress. The aim is to identify the key parameters governing the response of the reservoir complex related to geothermal operation. A particular point will be devoted to characterize the part of each mode of transport of heat in porous medium – thermal conduction, free and forced convection – in the establishment of the thermal performances of the geothermal power plant. Several technical operating devices will be proposed to reduce the uncertainties associated with the underground geothermal system and guarantee the success of the FONGEOSEC project. The impact of thermo-convective mechanisms in the vicinity of deep geothermal borehole remains poorly documented, especially in the case of deviated wells with a complex inner geometry. The evaluation of the hydraulic and thermal performances of the device, based on 3D numerical modeling, is conducted according to different approaches.

Depuis la mise en place en 2010, d’une nouvelle tarification française sur le tarif de l’énergie géothermique, l’Alsace est la région de France la plus dynamique quant à la réalisation de forages géothermiques profonds à haute température (>150°C). Ainsi, l’approche géologique, qui a été primordiale pour les forages de Rittershoffen, le sera encore davantage pour les projets à venir compte tenu de la méconnaissance géologique de certaines zones profondes du bassin rhénan. Cette étude propose d’appréhender la compréhension de l’architecture stratigraphique et séquentielle des formations de la couverture sédimentaire rhénane. 15 puits profonds ont été réinterprétés et corrélés à travers l’ensemble du bassin, permettant l’élaboration d’une colonne stratigraphique complète incluant le sommet et la base de chaque formation. Ces réinterprétations ont également mis en lumière le signal caractéristique de la diagraphie gamma-ray (GR) de chacune des formations de la colonne stratigraphique rhénane. De plus, la caractérisation lithostratigraphique du passage entre le socle et la couverture sédimentaire a fait l’objet d’un axe important de recherche. / Since the introduction of a new French pricing system for geothermal energy in 2010, Alsace has been the most dynamic region in France for deep geothermal drilling at high temperatures (>150°C). Thus, the geological approach, which has been essential for the Rittershoffen boreholes, will be even more for future projects given the lack of geological knowledge of some deep parts of the URG. This study aims at understanding the stratigraphic and sequential architecture of the formations of the URG sedimentary cover. 15 deep wells were reinterpreted and correlated throughout the basin, allowing the development of a complete stratigraphic column including the top and base of each formation. These reinterpretations also highlighted the characteristic gamma-ray signal (GR) of each of the formations in the URG stratigraphic column. In addition, the lithostratigraphic characterization of the transition between the basement and the sedimentary cover was the subject of an important research focus.