Physique | Technique
Loïc Posta, 2004 | Neuchâtel, NE
Lors d’études sur les ressources calorifiques de nos sous-sols, en géothermie particulièrement, il est nécessaire de pouvoir caractériser la distribution des températures le long des forages. Ainsi, la technologie des fibres optiques associées à une sentinelle DTS (pour « Distributed Temperature Sensing ») a été retenue. Les principes physiques, basés sur l’amplitude et le déphasage lors de l’aller-retour d’un signal laser pour mesurer la température sur une fibre optique de 1’000 m, m’ont permis de comprendre le fonctionnement de ce système et d’améliorer l’exactitude des mesures. J’ai pu tester et valider la calibration de l’appareil en laboratoire, puis écrire un protocole pour sa configuration. Enfin, j’ai eu l’occasion de participer à des expériences géothermiques de terrain pour vérifier si des aquifères pouvaient stocker de l’eau chaude : l’application du système s’est révélée appropriée. En effet, l’outil a permis de mesurer des températures redondantes tous les mètres sur 500 m, toutes les 30 secondes, durant 7 jours en continu avec une exactitude de 0,5°C.
Problématique
L’objectif de ce travail scientifique est (I) de mesurer un nombre conséquent de données de température le long d’un forage (mesure distribuée), et d’en définir l’exactitude, (II) de comprendre les principes physiques qui régissent le système de mesure, (III) de réaliser une application de géothermie sur le terrain et de percevoir les méthodologies nécessaires à une recherche scientifique.
Méthodologie
Grâce aux explications de mes mentors au Centre d’Hydrogéologie et de Géothermie de l’Université de Neuchâtel (CHYN, UniNe), j’ai compris les différentes applications et objectifs de la géothermie. Par ailleurs, les discussions avec d’autres experts et de la littérature scientifique m’ont permis de comprendre les différents principes physiques du fonctionnement du système DTS et de sa fibre optique. Le système de mesure a été testé dans des bains en laboratoire, pour définir l’exactitude des mesures, en se calibrant sur des sondes de température de référence. La longueur minimale de fibre immergée ou le temps d’acquisition minimum par mesure ont pu être évalué pour retenir une configuration optimale de l’appareil. J’ai alors eu l’occasion de déployer le système de mesure dans des forages de 50m de profondeur à Concise (Vaud) où nous avons injecté 20 m3 d’eau à 40°C. Finalement, mes mentors m’ont aidé à traiter les données grâce à Matlab.
Résultats
Grâce aux données de laboratoire, j’ai pu définir une configuration suffisante de l’appareil (à savoir un temps d’acquisition de 30 sec, un réglage de l’appareil en single-end), une justesse de 0.5°C sans correction avec les sondes et une fidélité négligeable, ainsi que la plus petite longueur de fibre nécessaire pour mesurer une valeur réelle de la température de 10 mètres. L’application sur le terrain a permis de mettre en évidence les trois principales failles souterraines (à 12, 20 et 30 mètres de profondeur).
Discussion
Selon le fabriquant, Sensornet Ltd., l’exactitude de l’appareil pour une fibre de 1000 m est de 0.1°C, alors mesurée à 0.5°C en laboratoire. Tandis que la mesure du constructeur a été réalisée avec une meilleure connaissance du système et des réglages, le test de laboratoire a notamment été influencé par la difficulté à garder de l’eau à une température précise. Il ne faut pas oublier que, par la suite, ce biais de mesure se retrouve annihilé par les capteurs de température externes. Le facteur le plus dérangeant se trouve être l’atténuation de l’amplitude du laser au cœur de la fibre sur laquelle la mesure se base. La perte d’énergie calorifique rapide dans les sous-sols de Concise met aussi en lumière un échange thermique trop élevé de l’emplacement pour permettre du stockage de chaleur rentable.
Conclusions
L’exactitude du système est grandement satisfaisante pour son application en géothermie. De plus, l’utilisation du système de mesure est d’une gestion simple (dispositif fixe durant toute la période de l’expérience) et autorise une grande production de mesures spatio-temporelles de la température. Etant donné que tous les réglages n’ont pas pu être essayés lors de ce travail, il serait intéressant de tester et de comparer avec d’autres configurations (double-end, différentes fibres). Des observations sur d’autres sites, dans d’autres forages, présentant différents types de sous-sols, permettraient cette fois-ci de comparer à un niveau géothermique le site de Concise en lui-même.
Appréciation de l’expert
Dr. Luca La Volpe
Une aptitude à la collaboration et à la coopération est l’une de caractéristiques fondamentales, si non la plus importante, d’un chercheur. Dans son travail Loïc Posta a rempli son rôle à l’intérieur d’un projet scientifique bien défini qui propose d’utiliser l’effet Raman dans les fibres optiques pour mesurer la température en fonction de la profondeur dans les forages utilisés pour la géothermie. Loic c’est occupé de la calibration et de l’optimisation du système de mesure qui, successivement, a été utilisé pour évaluer les caractéristiques géologiques d’un potentiel aquifère à Concise (VD).
Mention:
très bien
Lycée Denis de Rougemont, Neuchâtel
Enseignant: Benoît Valley