Exploitation et maintenance d’un forage d’eau - Notions d'Hydrogéologie et principaux types de forage PDF

Exploitation et maintenance d’un forage d’eau Notions d'Hydrogéologie et Présentation des principaux types de Forage 1 Introduction et accueil des participants o Présentation de la formation...

Exploitation et maintenance d’un forage d’eau Notions d'Hydrogéologie et Présentation des principaux types de Forage 1 Introduction et accueil des participants o Présentation de la formation Tour de table des participants Discussions autour des attendus de la session Présentation du programme 2  Présentation de quelques notions d’Hydrogéologie 3 Le cycle le d’eau 4  Géologie de la France 5 Géologie de la France 6  Hydrogéologie de la France 7 Définition d’un aquifère → Roches perméables comportant une zone saturée, suffisamment conducteur d’eau souterraine pour permettre l’écoulement significatif d’une nappe souterraine et le captage de quantités d’eau appréciables. On parle de « roche réservoir ». Un aquifère peut comporter ou non une zone non saturée. Ses propriété de transmissivité et d’emmagasinement se rapportent à sa portion saturée. 8  Principaux paramètres et définitions La Porosité 9 La Porosité Quelques ordres de grandeur… 10 o Différents types de nappe et fonctionnement Nappe libre (Water Table Aquifer) Milieu poreux limité en base par un substratum imperméable, Partiellement saturé en eau A l’équilibre avec la pression atmosphérique Phénomène de battement de la nappe inter saisonnier jusqu’à affleurement Nappe phréatique = première nappe rencontrée depuis la surface. 11 Nappe libre (Water Table Aquifer) peu profondes et donc facilement accessibles (fortement sollicitées) vulnérables aux pollutions agricoles Pluies efficaces = Recharge des nappes libres Peff = P Tot – ETR - Ruiss → Forages peu profonds → Forages équipés un seul tubage gravillonné eau droit des sections crépinées, et cimentées dans la partie supérieure (au moins jusqu’au niveau statique minimal). 12  Substratum (imperméable) 13  Nappe Captive (Confined Aquifer) Aquifère surmonté par une formation peu ou pas perméable, Charge hydraulique supérieure à la côte du toit de la nappe, Pression supérieure à la pression atmosphérique (nappe en charge), Souvent profondes, 14  Nappe libre / Nappe Captive Illustration : www.nappes-roussillon.fr 15  Autres types de nappe Nappe semi captive (ou nappe à drainance) o aquifère dont le toit ou/et le substratum est constitué par une formation semi-perméable, o Les échanges se font par l différence de charge entre les deux nappe o échanges d'eau avec la formation semi-perméable sus-jacente ou sous-jacente (Drainance ascendante ou descendante). 16   Exemple de nappe semi captive 17  Nappe en domaine de socle Dans les roches cristallines ou métamorphiques : Massif Central, Vendée, Bretagne, Vosges, Ardennes, Maures, Esterel, Corse...) Le potentiel dépend directement de la densité de fracturation de la roche mère et de son interconnexion avec les zones d’altération supérieures. Wyns, Lachassagne et al. (2001, 2003, 2005) 18   Autres types de nappe Nappes perchées, o Nappe d'extension limitée, située topographiquement plus haut que la nappe phréatique dont elle est séparée par une couche imperméable et non saturée, 19 Nappes fossiles, → nappe d’eau piégée (souvent à très grande profondeur) du fait de mouvements tectoniques structuraux → nappe très peu voire pas réalimentée (ressource « non renouvelable ») → eau souvent très minéralisée. Nappe fossile 20 Nappes fossiles, 21 Notion de Perméabilité (ou Conductivité hydraulique) → Aptitude d’un milieu poreux à se laisser traverser par un fluide (liquide ou gaz) sous l'effet d'un gradient de pression → Plus la perméabilité est élevée, plus l’eau s’écoulera vite. Elle s’exprime en m.s-1. perméabilité « en petit » (circulation dans les pores) perméabilité « en grand » (circulation dans les fissures, fractures, karsts La distinction entre roche perméable et roche imperméable a arbitrairement été choisie à 10-9 m/s. 22 Notion d’hydraulique souterraine : Transmissivité → capacité d’un aquifère à mobiliser l’eau qu’il contient, → calculée lors de pompages d’essai (Longue durée) → Produit du coefficient de perméabilité (de Darcy) K par la puissance e (épaisseur), en milieu isotrope. T (m²/s) = k (m/s) x e (m) avec K :coefficient de perméabilité (K en m/s) et e : épaisseur mouillée (en m) 23 Notion d’hydraulique souterraine : Transmissivité 24  Notion d’hydraulique souterraine : Porosité de drainage / Coefficient d’emmagasinement (s) 25 Notion d’hydraulique souterraine : Le gradient de charge hydraulique Rapport entre la différence de niveau dH (m) des piézomètres et la distance L (m) L’écoulement de la nappe se fait des potentiels les plus forts (altitudes les plus élevées) vers les potentiels les plus bas (altitudes les plus basses). 26  Notion d’hydraulique souterraine : Cours d’eau alimentant Cours d’eau alimenté Relation nappe / rivière 27 Lecture d’une carte piézométrique 28  Principaux Types de Forage 29 Elaboration du programme de travaux et détermination de la coupe prévisionnelle 1 – Le choix de la méthode de forage dépend de : Nature des formations géologique à traverser Conditions de forage attendues (instabilité, risques de pertes, artésianisme), Des diamètres de foration, De l’usage final de l’ouvrage (eau minérale, eau potable, eau d’irrigation), Des moyens matériels des entreprises de forage locales, Des contraintes spécifiques au site (existence de forages en fonctionnement dans l’environnement proche, nuisances dans le voisinage, contraintes logistiques (accessibilité, contraintes d’approvisionnement (eau)) Autres contraintes imposées (règlementaires par exemple), 30  Différents types de forage en fonction du type de nappe 31 Le forage en nappe libre forages peu profonds constitués d’un seul tubage (colonne de production) gravillonné eau droit des sections crépinées et cimentées dans la partie supérieure (au moins jusqu’au niveau statique minimal) bouchon de séparation (joint d’étanchéité) d’argiles gonflantes ou de sable entre le massif et le ciment Source : plaquette « Des forages de qualité en région Centre », BRGM 32  Le forage destinés à capter une nappe captive forages généralement profonds composé en deux (ou plus) sections superposées: 1 - La chambre de pompage, en partie supérieure pour loger la ou (les) pompe(s) d’exploitation, 2- la colonne de production (crépines) en partie inferieure (au droit d l’aquifère), larguée dans la chambre de pompage. 33 Source : plaquette « Des forages de qualité en région Centre », BRGM Les différentes méthodes de forage 34  Forage au Rotary 35 Présentation des différentes méthodes de forage, Forage au rotary 0util (le plus souvent un tricône) animé d’un mouvement de rotation (variation de la vitesse de rotation). fluide de forage : généralement la « Boue », injectée sous pression par l’intérieur de la ligne de sonde jusqu’à l’outil en pied de garniture. injection réalisée à l’aide de pompes à boue recyclée en surface Vitesses ascensionnelles boue + cutting : 15 à 60 m/min (recommandé) Tenue des parois du trou par la boue (cake) 36  Présentation des différentes méthodes de forage, 37 Présentation des différentes méthodes de forage, Forage au rotary 0util (le plus souvent un tricône) animé d’un mouvement de rotation (variation de la vitesse de rotation). fluide de forage : généralement la « Boue », injectée sous pression par l’intérieur de la ligne de sonde jusqu’à l’outil en pied de garniture. injection réalisée à l’aide de pompes à boue recyclée en surface Vitesses ascensionnelles boue + cutting : 15 à 60 m/min (recommandé) Tenue des parois du trou par la boue (cake) 38  Rotary en circulation directe → boue à base d’argiles à fort pouvoir d’hydratation (bentonites) + adjuvants éventuels →formation d’un cake : tenue des parois du terrain + résiste à la pression hydrostatique → La boue assure refroidissement et lubrification de l’outil → La boue remonte les cuttings (déblais de forage) → Traitement et recyclage de la boue dans unité de traitement ou bourbiers en pleine terre (2 minimum en série) → Forage profond = grande quantité de boue 39 Forage Rotary : La Boue de forage Elle est généralement constituée d’une suspension d’argiles spécifiques (bentonite) dans de l’eau. Elle possède des propriété rhéologiques spécifiques et adaptée à la nature du terrain à traverser. Ses principales fonctions sont : Permettre la remontée en surface des déblais de forage (cuttings) (30 à 60 m/mn), Maintenir les parois du par la formation d’un cake, Assure le refroidissement et la lubrification de l’outil de forage, Très sensible à la nature des formations traversées, ses principaux paramètres sont : La viscosité (en ‘’ Marsch) (idéalement située entre 40 et 50’’) Sa densité (généralement comprise entre 1 et 1,1) le filtrat (dépend du terrain), 40 Forage Rotary Avantages Inconvénients Méthode connue et éprouvée Vitesse de foration lente à modérée (variable) Profondeur d'investigation potentiellement très importantes Risque de colmatage des formations aquifères en cas de pertes de (moyennant d'utiliser un fluide de forage adapté) circulation, Tout type de terrain (formation meubles et/ou consolidées) Risques de problèmes techniques (collages). en adaptant les paramètres de forage La présence de la boue de forage empêche toute Limite les risques de coincement/éboulement quantification/qualification directe de la ressource Risque de confusions dans l'identification des terrains traversés (contamination des échantillons lors de la remontée) (prise en compte d'un "temps de retard" pour les profondeurs importantes). Emprise au sol significative du chantier (bourbiers, pompes, …) 41 Forage au Marteau Fond de Trou 42  Le Forage au Marteau Fond de Trou (MFT) → formations moyennement dures à très dures (forations de socle, basaltes, formations sédimentaires compacte → son utilisation dans des terrains instables (sables, argiles/marnes , …) est à éviter. → outil spécifique appelé « Marteau Fond de Trou (MFT)» → foration par percussion d’un taillant qui fait éclater la formation au contact (front de taille) → Vitesse de l’ordre de 20/30 tours/min → Poids de l’ordre de 150/200 kgs/pouce d’outils → fluide de forage : air comprimé (activer la frappe du marteau et remonter les déblais) → vitesse ascensionnelle minimale recommandée de 15m/s (900 m/minute) Pour des profondeurs plus importantes → utilisation de suppresseurs (pressions d’injection de l’ordre de 110 bars) + 2/3 compresseurs 43 Le Forage au Marteau Fond de Trou (MFT) D’après : ADEME, BRGM (Géothermie perspectives) 44  Les outils de forage (Marteau fond de trou et taillants) 45 Forage au Marteau Fond de Trou 46  Forage au Marteau Fond de Trou Avantages Inconvénients Avancement rapide Procédé peu adapté dans les terrains non consolidés ou plastiques. Nécessité d ́u lisa on de compresseurs très puissants voire de Bonne observation des puttings (coupe géologique) et des zones suppresseurs en cas de fora on sous des hauteurs d ́eau productrices (suivi foration). importantes. Permet de quantifier l'évolution de la quantité d'eau au fur et à Risques de perturbation de la qualité de l'eau exhaurée (dégazage, mesure de l'avancement (temps réel), oxydation partielle, augmentation de la température).. Fluide de forage utilisé (air) qui ne provoque pas de contamination Risque de surévaluation des débits de production. de la ressource et/ou des échantillons Risque de coincement si les opérations de nettoyage ne sont pas Emprise au sol de l'atelier réduite correctement exécutées. 47 Forage à la mousse Sous certaines conditions, un agent moussant peut être injecté dans le circuit d’injection d’air afin de favoriser l’évacuation des déblais de forage ainsi que la tenue des parois de l’ouvrage. Toutefois, l’utilisation de ce type de produit doit se faire avec précautions (risque de persistance après les travaux, nécessité d’appliquer un traitement en surface, …). Avantages Inconvénients Débit d’air nécessaire à l’évacuation des déblais nettement diminué Risque de « débordements » en surface, Efficacité du nettoyage du forage (évacuation des déblais) nettement plus Augmentation de la quantité de déblais évacués, performante, Réduction des risques coincements pour les phases d’arrêt courts (rajouts), Risque de persistance dans l’eau de forage si dosage inapproprié, Risque de dégradation de la qualité de l’eau brute produit de mauvaise qualité. 48  Eléments constitutifs des forages 49 Les tubages Plusieurs type de tubages peuvent être distingués : Le tube technique (conductor pipe) élément court ( Débit > 6'' 8'' (222mm) 12''1/4-311 mm 12''1/4-311 mm 14''3/4-375 mm 60 m3/h 60m3/h > Débit > 8'' 10‘’ (273 mm) 14''3/4-375 mm 14''3/4-375 mm 17''1/2 -444mm 120 m3/h Débit > 120 m3/h 10'' 12'' (323 mm) 17''1/2 -444mm 17''1/2 -444mm 20'' -508mm Nota : Ces dimensions sont données à titre indicatif et doivent être adaptées en fonction du contexte géologique local. 53 La cimentation Obturer l’espace compris entre le tube plein et les terrains forés isoler le niveau capté des eaux de surface empêcher le mélange de différentes nappes d’eau En nappe libre : profondeur au moins égale au niveau piézométrique statique de basses eaux En nappe captive : profondeur au moins égale à la côte du mur de la formation imperméable supérieure à l’aquifère captif Fixer/ancrer le tubage au terrain, Assurer la protection du tubage vis à vis des fluides issus du terrain Choix du ciment Il est fonction de plusieurs paramètres : La nature des terrain et la qualité des eaux souterraine en présence, La température moyenne des terrains, Par exemple, en cas de présence de chlorures et ou sulfates dans les eaux, des ciments spéciaux (dits « prise mer » ou résistants aux sulfates) peuvent être utilisés. 54  Préparation du coulis de ciment → fabriqué à partir d’un mélange de ciment sec (type Portland) et d’eau (potable de préférence) → coulis homogène d’’une densité comprise entre 1,75 et 1,85. Ainsi pour un coulis de densité 1,8 (cible) le dosage est de : 100 kgs de ciment + 54 Litres d’eau = 85 litres de coulis Le volume de ciment dépend du diamètre de foration (Ø(Forage)), de celui du tube à cimenter (Ø(Ext. tubag) ) et de la hauteur de cimentation (H). V Coulis = [Ø(Forage)²-Ø(Ext. tubage)²]x π/4 x H En fonction de la nature des formations situées au droit du tube, le volume théorique doit être majoré (à minima 20%). 55 Préparation du coulis de ciment Eau Ciment (sec) Coulis Densité 1 3.2 1.8 Masse (kgs) 54 100.0 154.0 Volume (L) 54 31.3 85.3 56  Méthode de cimentation par injection directe par cannes Cimentation de la colonne de production (cannes) cannes plongeantes descendues à la base de l’espace annulaire. → uniquement forages peu profonds ( 1,04.10 -4 m/(m³/h)² : Puits colmaté ou détérioré, C > 4,17.10 -4 m/(m³/h)² : Puits irrécupérable. Au delà du débit critique → risque d’endommagement de l’ouvrage (colmatage, entrainement de particules, détérioration du massif/des crépines) 93 L’essai Longue Durée (ou essais de Nappe) 94 Essai de nappe (pompage de longue durée) → tester le potentiel de la nappe au débit d’exploitation précédemment déterminé (QOpt) → définir les paramètres hydrodynamiques de la nappe (perméabilité (K, en, m.s-1), Transmissivité (T, en, m².s-1) et coefficient d’emmagasinement (S, sans dimension) → préciser les caractéristiques de la nappe (limites alimentée ou pas) → Préciser les influences du pompage sur les usages tiers (interférences entre différents ouvrages). Généralement réalisé à débit constant pendant une durée minimale de 72 heures consécutives. Quelques exemples : aquifère karstiques : durée de l’essai → 1 semaine, aquifère fracturés : durée de l’essai → 1 semaine minimum. Recommandé 2 semaines 95 Essai de nappe (pompage de longue durée) La transmissivité. (T) d’un aquifère représente la capacité d’un aquifère à mobiliser l’eau qu’il contient. Elle se détermine lors de pompages d’essai. La productivité d’un captage dans un aquifère, soit le débit que peut capter un forage, est fonction de son coefficient de perméabilité (k en m/s) et de son épaisseur mouillée (e). Ce paramètre est appelé transmissivité (T en m2/s). 96  Essai de nappe (pompage de longue durée). Le coefficient d’emmagasinement (S) représente la quantité d’eau libéré sous une variation unitaire de la charge hydraulique, c’est-à-dire sous l’effet d’une baisse du niveau d’eau. Il est utilisé pour caractériser plus précisément le volume d’eau exploitable par un forage et se détermine lors de pompages d’essai à partir de l’analyse de l’évolution du niveau piézométrique dans un ouvrage distant du forage de pompage. Dans un aquifère libre, le coefficient d’emmagasinement est égal à la porosité efficace Les valeurs usuelles vont de 1% pour certains limons (matériaux fins) et jusqu’à 30 - 40% pour des alluvions grossières (matériaux grossier Dans un aquifère captif ou semi-captif, l’expulsion de l’eau est le résultat de la compression de l’aquifère et de la baisse du niveau statique lors du pompage provoquant une baisse de pression. Le volume d’eau libéré est beaucoup plus petit, et par conséquent à caractéristiques égales le coefficient d’emmagasinement S est ici de 100 à 1 000 fois (voire 10 000 fois) plus petit. Les valeurs usuelles se situent entre 0,1 et 0,01 %. 97 Exemple d’interprétation 98 Essai de nappe (pompage de longue durée) Pompage dans F1 – Observations dans F1 Pompage dans F1 – Observations dans F2 99 Notion d’effets limite → L’allure de la courbe de rabattement en fonction du temps permet de préciser la géométrie de la nappe captée ainsi que les phénomènes d’interférence inter ouvrages.. Géométrie Interférences 100 Notion d’effets limite → L’allure de la courbe de rabattement en fonction du temps permet également de préciser le mode de fonctionnement et le type la nappe. 101 Hydrochimie (caractérisation d’une nappe) Exemple diagramme de Piper Permet un classement des eaux par signature géochimique (facies) Permet de suivre l’évolution du faciès d’une nappe (influence recharge pluies) Permet de détecter un mélange de nappes ou l’influence d’un biseau salé 102 Exploiter et suivre un forage 103 Principaux paramètres de suivi d’exploitation 104  Suivi des paramètres de fonctionnement (suivi permanent) Débit de pompage : mesuré en sortie de puits (compteur, débitmètre) avec enregistrement continu Niveau Dynamique en pompage : Mesuré à l’intérieur du puits (sonde piézométrique, sonde manuelle) avec enregistrement continu Qualité de l’eau : présence de sable, turbidité, apparition de désordres (contamination, changement de qualité) - contrôles réalisés à fréquence quotidienne. 105 Contrôle périodiques (ressource et ouvrages) 106  Suivi des paramètres de fonctionnement Plan de contrôle d’un forage Contrôle vidéo de l’ouvrage : sauf incident, une inspection tous les 5 à 10 ans (maximum) est recommandée, l’objectif étant de valider l’état général de l’ouvrage et l’absence d désordres majeurs. Le cas échéant ce contrôle est associé à une opération de nettoyage de l’ouvrage. Contrôle de la productivité du forage : sauf en cas de désordre, il est recommandé de réaliser ce type de teste tous les 1 à 2 ans. L’opération consiste à réaliser un essai par paliers de pompage dans des conditions identiques (débit de chaque paliers, saison d’intervention). L’analyse des résultats permet de mettre en évidence l’apparition de désordres , notamment concernant les baisses de productivité (colmatage, ensablement, ).. Présentation d’un exemple de rapport d’inspection décennale et plan d’action. 107 Contrôle des équipements de production 108  Suivi des paramètres de fonctionnement Contrôle des équipements de production (quotidien) et consignation Fonctionnement de la pompe : Controle des paramètres de consommation électrique de la pompe (ampérage, tension, isolement (mégohmmètre)), bruit (cavitation) Contrôle des sécurité manque d’eau : fonctionnement des sondes de détection (bougies), Contrôle de la sonde de mesure piézométrique : mesure contradictoire depuis la surface à la sonde manuelle pour vérifier la cohérence des mesures, Contrôle du dispositif de comptage : compteur volumétrique, débitmètre et contrôle du débit de pompage, Contrôle du clapet anti retour : vérification du bon fonctionnement (pression de service, présence de coups de béliers, retro comptage) Contrôle visuel des équipements de surface : (absence de fuites, casse d’équipements, autre…) Vérification de la tête de puits : contrôle visuel pour validation absence de désordres(intrusions notamment d’animaux, détérioration, ….), 109