La prévision de la présence d'hydrocarbures sur le plateau suisse réduit les risques pour l'exploration géothermique
L'un des défis auquel est confrontée l'exploration géothermique profonde est l'apparition d'accumulations d'hydrocarbures (tels que le gaz naturel ou le pétrole brut) dans le sous-sol. Est-ce un problème pour la Suisse ? Y a-t-il des accumulations d'hydrocarbures qui pourraient gêner le développement de la géothermie suisse ? Existe-t-il des corrélations entre ces deux géo-ressources et comment le développement des ressources géothermiques pourrait-il en être influencé et affecté ? Le projet UNCONGEO cherche à répondre à toutes ces questions.
Le projet UNCONGEO vise à prévoir et à quantifier les risques pour l'activité d'exploration géothermique en Suisse liés à la présence de gaz naturel et de pétrole dans le sous-sol. Le projet UNCONGEO fait partie du SCCER-SoE et est soutenu par Swisstopo, l’Office fédéral de l’énergie, les cantons de Genève et de Vaud et NAGRA. Pour atteindre cet objectif, nous - un groupe de scientifiques de l'Université de Genève - avons appliqué une approche standard de modélisation du système pétrolier, qui intègre des données multidisciplinaires et multi-échelles du sous-sol à l’aide de la modélisation thermique.
Dans la première phase (2017-2019), les activités de l'UNCONGEO se sont concentrées sur la reconstitution de l'histoire thermique du bassin de l'avant-pays suisse et sur son lien avec la production, la migration et l'accumulation des hydrocarbures. L'enquête a porté sur plusieurs zones : la région de Saint-Gall, le canton de Vaud, la région du nord-est de la Suisse et le canton de Genève. Le travail comprend la reconstruction d'un modèle géologique, basé sur des données sismiques et de puits, la caractérisation pétrographique et géochimique des principaux éléments du système pétrolier (roches-mères, réservoirs et couvertures) et la définition des pièges stratigraphiques et structurels potentiels. Ces résultats permettent de reconstituer des cartes de risques, qui montrent la probabilité de trouver des hydrocarbures dans le sous-sol dans une zone donnée.
Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet améliorent la compréhension des variables tectoniques, géodynamiques et stratigraphiques dominant la formation et la répartition des réserves d'hydrocarbures dans le bassin de l'avant-pays suisse. Nous avons également identifié les principales incertitudes sur les résultats de la modélisation du système petrolier. Les activités futures du projet se concentreront sur la réduction de ces incertitudes et sur une meilleure quantification du risque associé à la présence d'hydrocarbures dans des zones d'intérêt spécifiques.
Résumé des zones géothermiques et d'hydrocarbures sur une section idéale du Plateau suisse. Les cercles numérotés indiquent les différentes zones géothermiques et le type d'utilisation de l'énergie géothermique (échange de chaleur par forage, stockage de la chaleur, hydrothermie et systèmes géothermiques améliorés/ingénierie). Les flèches indiquent la direction principale de la circulation de l'eau dans le sous-sol, qui est principalement opposée à la migration ascendante des hydrocarbures (Moscariello, 2019).
Le cas de l'étude de Saint-Gall
L’exemple le plus représentatif du processus de travail adopté par le projet UNCONGEO est illustré par le cas d'étude de Saint-Gall. Le puits géothermique profond de Saint-Gall a été initialement conçu dans le cadre d'un doublet hydrothermal en 2011-2012 et foré tout au long de l'année 2013. L'objectif principal du puits était d'introduire l'énergie géothermique comme principale source de chaleur pour le réseau local de chauffage urbain existant et éventuellement aussi pour la production d'électricité. Au cours de l’opération de forage, à une profondeur de 4450 mètres sous le niveau du sol, du gaz naturel a commencé à pénétrer dans le trou de forage, produisant un coup de gaz. Pour contrôler l'augmentation soudaine de l'afflux de gaz, de la boue de forage lourde, de l'eau douce et des matériaux de perte de circulation ont été injectés dans le puits. Cette opération a déclenché une micro-sismicité autour de la zone principalement sous la profondeur cible. Une série de tremblements de terre a été induite, culminant avec un ML 3,5, largement ressenti par la population du nord-est de la Suisse (intensité IV sur l'échelle macrosismique européenne EMS-98). Les analyses géochimiques de ce gaz indiquent une origine thermogénique, donc provenant de roches mères matures profondes.
Dans le cadre du projet UNCONGEO, nous avons défini les principaux éléments et processus intervenant dans le système pétrolier de la région de St-Gall, ce qui nous a conduit à estimer le potentiel en hydrocarbures (quantité de gaz généré, réservoirs potentiels, volume d'hydrocarbures accumulés, etc...) de la zone autour du puits. Pour réaliser ces objectifs, nous avons reconstruit un modèle thermique 3D basé sur l'interprétation et la conversion en profondeur des données de l'étude sismique 3D. Les roches mères qui se situent très vraisemblablement dans les grabens permo-carbonifères profonds et composés de charbon et de schistes carbonés, produisent actuellement du gaz. Le volume des hydrocarbures générés est lié à l'épaisseur des roches mères affectées au modèle, que nous avons extrapolée à partir des données de puits de compensation. Seule une proportion minime des hydrocarbures générés s’est accumulée dans les réservoirs, situés pour la plupart dans les grès permo-carbonifères et les unités les plus basses du Mésozoïque. Nos résultats indiquent que le volume calculé de ces accumulations dépend principalement de l’exactitude de la distribution et de la taille du piège stratigraphique et structurel.
Modélisation thermique d'une coupe géologique 2D dans le secteur nord de la Suisse orientée WNW-ESE (82-NS-70), où sont simulés les zones saturées de pétrole (couleurs rouge, orange, jaune et verte) et l’emplacement des réservoirs potentiels d'hydrocarbures (zones rouges pleines).
Conclusion et perspectives
Dans cette étude, nous avons démontré qu'en appliquant un processus de modélisation thermique, les accumulations de gaz auraient pu être prévues dans la région de Saint-Gall. Le projet UNCONGEO mènera d'autres recherches afin de limiter les incertitudes qui pèsent sur le volume d'hydrocarbure généré et accumulé dans la région et d'offrir une évaluation fiable du potentiel géo-énergétique caché dans le sous-sol de Saint-Gall.