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Taylor, A.E., Burgess, M.M., Judge, A.S., Allen, V. et Wilkinson, A., 1998. Recueil des données géothermiques canadiennes - Deep permafrost temperatures and thickness of permafrost; Global Geocryological Database, CAPS version 1, CD-rom. Publié par l'International Permafrost Association et le National Snow and Ice Data Centre, Boulder Colorado.

Introduction

Au cours des trente dernières années, des enregistrements précis de la température du sol à des profondeurs supérieures à 125 m ont été recueillies dans de nombreux trous d'exploration de ressources forés dans les régions pergélisolées et les régions adjacentes du Grand-nord canadien. La plupart de ces données ont été recueillies par le Service géothermique de la Direction de la physique du globe, énergies, mines et ressources Canada, (amalgamé par la suite avec la Commission géologique du Canada, Ressources naturelles Canada), en collaboration avec l'industrie de l'exploration et les organismes de réglementation. Ce site Web présente le jeu complet des données pour la région au nord du 60e parallèle de latitude nord. Il comprend également des données pour des trous de moins de 125 m de profondeur.

Acquisition des données

Les données mentionnées dans ce recueil ont été obtenues au cours de trois décennies de recherches sur le terrain, depuis la fin des années 1960, et elles couvrent l'Arctique canadien. Des dispositions ont été prises avec le détenteur du bail ou l'exploitant des puits et les organismes de réglementation pour obtenir l'autorisation de mesurer la température du sol à ces sites. La logistique pour accéder aux sites posait de sérieux problèmes dans cette région isolée. On se servait généralement d'hélicoptères dans la région ouest de l'Arctique (delta et vallée du Mackenzie) et d'aéronefs à voilure fixe dans l'Extrême-Arctique (archipel Arctique), où il fallait une plus grande autonomie. L'éloignement des emplacements et l'absence d'infrastructure empêchaient l'emploi de systèmes industriels classiques de diagraphie ou d'unités montées sur camion pour mesurer la température.

Dans les puits profonds (plus de 125 m de profondeur) considérés ici, la perturbation thermique résultant du forage dans des sédiments meubles poreux et gelés ou des roches peut prendre des années à se dissiper (Lachenbruch et Brewer, 1959), et les températures doivent être surveillées pendant plusieurs années afin de calculer un profil de température d'équilibre, ou d'estimer les températures non perturbées. Des techniques simples ont été mises au point pour faciliter la mesure des températures dans le pergélisol pendant plusieurs années après la fin du forage (ex. : Jessop, 1970; Judge, 1973; 1974). Dans les trous d'exploration minière (ex. : site 114), on laissait un câble à capteurs multiples geler dans le trou de forage. Dans les forages d'exploration pétrolière (ex. : site 197), ce genre de câbles supportaient rarement le regel dans les grands trous avec tubage et il fallait trouver une autre méthode. Avant que l'installation de forage quitte le site, la boue de forage au-dessus du bouchon de ciment réglementaire du tubage à la base du pergélisol était remplacée par du carburant diesel. De cette façon, on peut accéder de nouveau aux puits pendant une période indéterminée, généralement en passant à travers la zone de pergélisol et une épaisseur de dizaines à quelques centaines de mètres d'horizons non gelés sous celle-ci. Les organismes canadiens de réglementation ont contribué à l'élaboration de ces procédures.

Ces préparatifs ont permis d'effectuer des diagraphies périodiques dans des trous de forage ou des puits avec un matériel de précision léger portable. Les mesures étaient prises à l'extrémité du câble, là où un câble était installé de façon permanente. Ailleurs, une sonde portable légère était descendue par étapes au fond des puits. Au début des années 1990, plusieurs puits ont été diagraphiés presqu'en continu, avec un système portable de diagraphie. Les températures étaient mesurées avec une résolution de plusieurs millièmes de degré et d'une exactitude de 0,02 oC (les thermistances utilisées dans le programme sont étalonnées à l'interne au centième de degré Celsius près, d'après les normes au Conseil national de recherches du Canada).

Estimation des températures non perturbées dans les trous de sonde

Les enregistrements de température peuvent refléter les importantes perturbations thermiques résultant du forage, selon l'intervalle entre le forage et les mesures. C'est d'autant plus apparent pour les puits d'exploration pétrolière en raison des plus longues périodes requises pour forer ces puits à leur profondeur maximale (mois), par opposition aux trous d'exploration minière (jours). La perturbation dure également beaucoup plus longtemps dans les trous forés dans le pergélisol que dans des régions non gelées, ou dans la partie pergélisolée d'un trou par comparaison avec les formations non gelées plus bas (voir l'exemple dans la figure ci-dessous). Des températures relevées périodiquement après la complétion d'un puit peuvent fournir des renseignements sur la dynamique thermique du puit. (Jessop, 1970; Taylor, 1979; Taylor et Judge, 1981).

Les enregistrements de la température ont été effectués pendant plusieurs années aux dates indiquées, au site 193, le puit d'exploration pétrolière Ikhil I-37, dans le delta du Mackenzie. Ces enregistrements illustrent les effets thermiques du forage et peuvent être utilisés pour évaluer la température du matériau non perturbé ou la température d'équilibre Teq. Le forage a été exécuté entre le 10 avril 1973 et le 12 décembre 1973. (tiré de Taylor et coll., 1982) image agrandie [JPEG, 33.2 ko, 433 X 360, avis]

Une estimation des températures des matériaux non perturbés (« d'équilibre ») peut être réalisée d'après une série d'enregistrements de la température dans des trous au cours d'une certaine période après le forage du trou. On peut utiliser un modèle proposé par Lachenbruch et Brewer (1959).

La pente de la courbe des températures enregistrées à différents intervalles après le forage, en fonction d'une échelle logarithmique de temps (ln [1+t1/t2]) donne le point d'intersection de la température d'équilibre (Teq) :

t1 = durée du forage jusqu'à une (des) profondeur(s) d'intérêt.

t2 = temps écoulé entre la complétion du forage et l'enregistrement (les enregistrements) de la température.

Teq = température du matériau non perturbé ou température d'équilibre à la profondeur d'intérêt.

Ces éléments sont représentés dans la figure ci-dessous.

Température mesurée pendant plusieurs années au puit d'exploration Ikhil I-37, en fonction d'une échelle logarithmique de temps afin d'illustrer une méthode qui peut être utilisée pour calculer des températures d'équilibre. Les dates des différents enregistrements sont indiquées le long de la marge inférieure. image agrandie [JPEG, 29.1 ko, 376 X 434, avis]

La méthode logarithmique n'est à proprement parler valide que si aucun changement ne vient perturber le retour à l'équilibre, ou n'intervient qu'après le regel du pergélisol. On ne peut utiliser que des données recueillies sous le pergélisol pour en déterminer la base, à moins que le pergélisol n'ait qu'une faible porosité ou qu'il ait regelé. À mesure que sont effectués de nouveaux enregistrements de la température (dans ce jeu de données, généralement annuellement ou moins fréquemment), l'exactitude de l'estimation de l'équilibre augmente. Pour des rapports t2/t1 supérieurs à 25, les températures d'équilibre calculées se situent en général à quelques dixièmes de degré des températures des matériaux non perturbés. De telles estimations convergent plus rapidement pour les puits dans l'archipel Arctique, et d'habitude, cinq années de données annuelles suffisent à obtenir cette exactitude.

Références

Jessop, A.M., 1970. Depth of permafrost. Oilweek, Jan. 12, p. 22-25.

Judge, A.S., 1973. Deep temperature observations in the Canadian North. in, Permafrost, Second International Conference, National Academy of Sciences, Washington, DC. p. 35-40.

Judge, A.S., 1974. Geothermal measurements in northern Canada. in, Proceedings, Symposium of geology of Arctic Canada. Association géologique du Canada - Canadian Society of Petroleum Geologists, Saskatoon. p. 301-311.

Lachenbruch, A.H. et Brewer, M.C., 1959. Dissipation of the temperature effect in drilling a well in arctic Alaska. U.S. Geological Survey Bulletin 1083-C, p. 73-109.

Taylor, A.E., 1979. The thermal regime modelled for drilling and producing in permafrost; Journal of Canadian Petroleum Technology 18, no. 2, 59-66.

Taylor, A.E., Burgess, M.M., Judge, A.S. et Allen, V.S, 1982. Recueil des données géothermiques canadiennes - puit d'exploration dans le Grand-nord 1981; Direction de la physique du globe, Série thermique no 13, 153 p.

Taylor, A.E. et Judge, A.S., 1981. Measurement and Prediction of Permafrost thickness, Arctic Canada; Technical Papers, 51st Annual Meeting, Society of Exploration Geophysicists, v. 6, p. 3964-3977.