Évaluation des propriétés thermophysiques du sous-sol et de l’écoulement souterrain à partir des profils de température non perturbés et observés dans un échangeur de chaleur géothermique

Les méthodes d’évaluation distribuée des propriétés thermophysiques du sous-sol ont été introduites dans le secteur de l’énergie géothermique afin d’améliorer l’analyse du test de réponse thermique (TRT), car les méthodes couramment utilisées par l’industrie ne permettent pas de considérer avec suffisamment de détails l’hétérogénéité du sous-sol et l’écoulement souterrain. Ces méthodes sont basées sur des mesures de profils de température avec la fibre optique, dans des échangeurs de chaleur géothermique (ECG). Les résultats de ces approches ont montré que l’hétérogénéité et l’écoulement pourraient affecter la conductivité thermique avec un impact sur la performance et la rentabilité d’un champ d’ECG. Cependant, les mesures de température avec la fibre optique nécessitent de mobiliser une technologie complexe, une expertise spécialisée ainsi que des investissements dispendieux peu attractifs pour des projets résidentiels et commerciaux de taille modeste. Il est donc apparu nécessaire de se fixer comme objectif de développer des méthodes alternatives pouvant facilement être implémentées pour évaluer les propriétés thermiques du sous-sol et l’écoulement d’eau souterraine en utilisant uniquement des profils de température mesurés avec une sonde de température submersible dans un ECG et des profils recalculés par des approches analytiques et numériques. Les résultats de cette recherche ont permis de : (1) développer deux méthodes de correction des profils de température mesurés avec une sonde submersible dans l’ECG; (2) développer une méthode analytique pour évaluer de façon in situ le log thermostratigraphique du sous-sol avec caractérisation de l’écoulement d’eau souterraine, en analysant les profils de température mesurés durant la période de restitution d’un TRT conventionnel; (3) développer une méthode pour évaluer de façon in situ la capacité thermique et la diffusivité thermique effective du sol en recalculant analytiquement le profil de température mesuré dans l’ECG; (4) développer une méthode numérique pour évaluer un log thermostratigraphique du sous-sol en simulant numériquement un profil de température mesuré dans l’ECG. Les résultats obtenus avec un ECG pilote, au site expérimental de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) à Sainte-Foy (Québec), se sont avérés exacts et similaires à ceux des autres méthodes d’analyses de TRT et ont une résolution spatiale acceptable pour la conception des ECG. Ces résultats démontrent qu’il est possible d’aller chercher plus d’information sur le sous-sol à l’aide de profils de température mesurés avec une sonde submersible, et ce à un coût modeste afin de contribuer à l’essor des TRT et des systèmes de pompe à chaleur géothermique (PACG). The evaluation of subsurface thermophysical properties using a distributed analysis method has been introduced in the geothermal energy sector to improve the analysis of the thermal response test (TRT) because the commonly used methods do not sufficiently incorporate the effect of subsurface heterogeneity and groundwater flow. The recently enhanced method is based on measurements of temperature profiles in borehole heat exchangers (BHE) using fiber optics. The results of this approach showed that heterogeneity and groundwater flow could affect the thermal conductivity with an impact on the performance and profitability of a geothermal borehole field. However, temperature measurements with fiber optics require complex technology and expensive investments that are unattractive for small residential and commercial projects. Therefore, the objective of this project was to develop alternative methods, easy to implement, for subsurface characterization without using fiber-optic temperature measurements. These new integrated field methods use only temperature profiles measured with a submersible temperature probe in a BHE that are reproduced with analytical and numerical modeling. The results of this research have allowed us to: (1) develop two methods for correcting temperature profiles measured with a submersible probe in the BHE; (2) develop a method to evaluate in situ effective subsurface thermal conductivity and subsurface hydrothermostratigraphic log with characterization of subsurface flow by analyzing temperature profiles measured during the recovery period of a conventional TRT; (3) develop a semi-analytical method to evaluate in situ effective subsurface heat capacity using the undisturbed temperature profile measured in the BHE; (4) develop a method to evaluate a subsurface hydrothermostratigraphic log by numerically simulating an undisturbed temperature profile measured in the BHE. The results obtained using a pilot BHE located at the Institut national de la recherche scientifique (INRS) field facilities in Sainte-Foy (Quebec) were retrieved with accuracy, showing a similar acceptable resolution compared to other existing TRT analysis methods with high quality for BHE design. These results demonstrate that it is possible to obtain more information about the subsurface using temperature profiles measured with a submersible probe at a modest cost, contributing to the development of TRT and geothermal heat pump systems.

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