Contribution of the exploration of deep crystalline fractured reservoir of Soultz to the knowledge of enhanced geothermal systems (EGS)

Over the past 20 years, the Soultz experimental geothermal site in Alsace, France, has been explored in detail by the drilling of five boreholes, three of which extend to 5 km depth. Data on geology, fluid geochemistry, temperature, microseismicity, hydraulics and geomechanics have been collected and interpreted by the various teams from the participating European countries and their international collaborators. Two reservoirs have been developed within granite at depths of 3.5 and 5 km. The reservoir at 3.5 km was formed from two wells, 450 m apart, both of which were subjected to hydraulic stimulation injections. The system was circulated continuously for 4 months at 25 kg/s in 1997 using a downhole pump, and yielded results that were extremely encouraging. The impedance reduced to 0.1 MPa/l/s, the first time this long-standing target had been attained. Construction of a deeper system began shortly afterwards with the drilling of 3 deviated wells to 5 km true vertical depth, where the temperature was 200 °C. The wells were drilled in a line, 600 m apart at reservoir depth, and all were hydraulically stimulated and subjected to acidization injections. The 3-well system was circulated under buoyancy drive for 5 months in 2005 with injection in the central well, GPK-3, and production from the two outer wells, GPK-2 and GPK-4. This showed good linkage between one doublet pair, but not the other. Further acidization operations on the low-productivity well led to its productivity increasing to almost the same level as the other wells. Construction of a power plant at the site was completed in 2008 and a trial circulation with a production pump in one well and the other shut-in was conducted with power production. Downhole pumps are now installed in both production wells in preparation for long-term circulation of the system. In this article we present an overview of the principal accomplishments at Soultz over the past two decades, and highlight the main results, issues identified, and lessons learnt.

RésuméLe site expérimental de Soultz-sous-Forêts en Alsace est le siège d’exploration géothermique par forages profonds depuis plus de 20 ans. En effet, un granite caché sous couverture sédimentaire est le siège d’une anomalie thermique dont l’intensité est unique en France. Des travaux sur la géologie, la géochimie des fluides, les températures, la micro-sismicité et l’hydraulique du site, ainsi que des calculs prédictifs via de la modélisation couplée ont été réalisés par de nombreuses équipes scientifiques en Europe. La partie supérieure du réservoir fracturé située à 3,5 km de profondeur a été stimulée à partir de 2 forages distants de 450 m. Plusieurs tests de circulation de fluide en boucle (1997, 2005), réalisés entre les puits profonds, ont montré qu’au moins 30 % du fluide injecté pouvait être récupéré dans les puits producteurs et que cette récupération limitée était, par ailleurs, toujours compensée par une contribution de saumure naturelle, caractérisant ainsi la présence de zones fracturées ouvertes, en connexion directe avec un réservoir géothermique profond. En 1997, les 4 mois de circulation avec un débit massique de 25 kg/s ont conduit à des résultats très encourageants, caractérisés par une chute de l’impédance hydraulique à 0,1 MPa/l/s. La réalisation du dispositif souterrain constitué de trois puits déviés, forés à 5 km de profondeur (deux producteurs, un injecteur) a permis d’atteindre une température de 200 °C. Les 3 puits sont alignés parallèlement à la direction principale de fracturation et à celle de la contrainte majeure horizontale SHmax. Distants au fond de 600 m, ils ont fait l’objet de stimulations hydrauliques puis chimiques. Les premières augmentent les performances hydrauliques du réservoir fracturé, mais génèrent une sismicité induite qui peut être parfois gênante pour les populations, avec quelques séismes de magnitude supérieure à 2. Les secondes permettent de dissoudre les remplissages minéraux qui tapissent les fractures (calcite, argiles, quartz secondaire) ou encore les débris de forage qui sont restés piégés à la fin des opérations de forage. L’impact hydraulique des stimulations chimiques est moins fort que celui lié aux stimulations hydrauliques. Ainsi, la sismicité induite et les nuisances associées sont mineures pendant les traitements chimiques. En 2005, le test de circulation réalisé en production artésienne a mis en évidence une bonne connexion inter-puits, mais sur une partie seulement du triplet. En effet, en raison de la complexité du réseau de fractures, une forte dissymétrie hydraulique du dispositif a été mise en évidence. Des stimulations chimiques additionnelles ont été réalisées sur le puits le plus faiblement producteur et ont amélioré ses performances. En 2008, une centrale géothermique binaire a été construite et testée. Des technologies différentes de production (pompes immergées) ont été installées dans les puits de production et le premier kilowatt d’origine géothermique a été produit. Finalement, ce papier présente les principaux résultats scientifiques acquis à Soultz et les principales leçons déduites après plus de 20 années de recherches.