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Gaz de schistes Gaz de roche mère
Gaz de Shale Gaz non conventionnels
Bruno Goffé
Affleurement de couches contenant du gaz de schiste (Fontaine ardente de Gua dans le Dauphiné)
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Terminologie Schiste, shale, roche mère, conventionnel, non conventionnel?
– Schiste (français) et Schist (anglais) réfère géologiquement à une roche sédimentaire métamorphisée à plus de 200 °C, qui ne contient plus (ou peu) de méthane mais peut être riche en carbone (Anthracite-graphite). Mais usuellement en français le mot schiste est aussi utilisé pour toutes les roches sédimentaires de couleur sombre à grains très fins présentant un débit planaire.
– Shale (mot uniquement anglais) réfère à une roche sédimentaire argileuse riche en carbone organique qui peut contenir de l’huile ou du gaz. Sa traduction littérale en français est pélite.
– Roche mère réfère à la roche à l’origine de la formation des pétroles et des gaz
– Conventionnel et non conventionnel référent aux technologies d’exploitation des matières premières
Pratiquement, en français « gaz de schiste » peut être utilisé dans le sens commun, tandis que géologiquement et technologiquement les expressions
«gaz de roche-mère» et « gaz non conventionnel » sont les bonnes.
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Formation des Hydrocarbures
Coupe dans la partie externe de la
terre
Le pétrole et le gaz naturel se forment
dans les bassins sédimentaires entre 1000 et 6000m de
profondeur
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Origine du Pétrole et du Gaz naturel (formation de roches-mères)
Forêts inondées
Enfouissement et dégradation des végétaux dans des marécages
Compaction et altération chimique
Un profond enfouissement génère du
charbon et du gaz
Lacs ou mer
plancton
Plancton mort coule
Boues riches en matière organique
L’enfouissement génère du
Pétrole et du gaz
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Formation des Hydrocarbures Sous l’effet de l’augmentation la pression et de la température avec la profondeur, la roche-mère produit des hydrocarbures (Huiles, gaz) et un résidu insoluble appelé Kérogène. Huiles et gaz peuvent s’échapper de la roche-mère et migrer à travers des roches perméables jusqu’à qu’ils soient arrêtés par des roches imperméables formant une « couvertures ». Les hydrocarbures s’accumulent alors dans la roche poreuse pour former un réservoir. S’ils ne sont pas arrêtés lors de leur migration ces hydrocarbures peuvent s’échapper à la surface . Le kérogène reste dans la roche-mère.
+
Coupes verticales dans un bassin pétrolier
Gaz de schiste: méthane (gaz shale) Gaz de houille: méthane (coalbed methane) Gaz de mine: méthane Huiles de schistes: hydrocarbures souvent lourds (oil shale)
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Les différents types de gisements de gaz
Gisements non conventionnels
roches poreuses et perméables
roches poreuses et imperméables
Gaz de mine : exploitation existante nord de la France
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Relations entre sources de matières organiques
profondeur et température
lacustre
marins
terrestre
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Kerogène
Huile +
Gaz +
http://monash.edu/
Ref : http://www.ihrdc.com/
Le gaz de schiste en quelques mots • Le gaz de schiste est un gaz naturel le plus souvent enfoui
à très grande profondeur (1500 à 3000 m), dans des roches compactes et imperméables. Ses réserves sont considérables et bien réparties dans le monde : on estime qu'elles pourraient fournir 120 à 150 ans de la consommation actuelle de gaz naturel.
• En Europe, les réserves de gaz de shale sont estimées entre 3 000 à 12 000 milliards de m3 (entre 75 et 300 ans de consommation annuelle de la France).
• L’évaluation de ces réserves fait actuellement débat (par
exemple en Pologne: entre 30 et 440 ans de consommation du pays, Exxon a arrêté l’exploration).
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Dans le monde
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Dans le monde
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Source IEA WO 2011
Les ressources de gaz de shale et gaz de charbon en Europe
Source: Le Monde, 21/12/2012
Shale (oil+gas) Charbon
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En France exemple du Bassin Parisien
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Source BRGM
Du charbon à très grande profondeur (6000m) dans le socle?
L’état de la connaissance académique: huile de shale
Nombre annuel de publications scientifiques ayant pour sujet « shale oil » ou « oil shale » dans le catalogue « Web of Science » entre 1975 et 2012. Leur nombre annuel est influencé par les cours du pétrole.
3759 publications, 1975-2012
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L’état de la connaissance académique: gaz de charbon
Nombre annuel de publications scientifiques ayant pour sujet « coalbed + methane » dans le catalogue « Web of Science » entre 1975 et 2012.
785 publications, 1975-2012
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L’état de la connaissance académique: gaz de shale
Nombre annuel de publications scientifiques ayant pour sujet « shale gas » ou « gas shale » dans le catalogue « Web of Science » entre 1975 et 2012. Leur nombre augmente fortement depuis 2007 (données au 31 Décembre 2012). Une grande partie de la connaissance est « privée » (compagnies pétro-gazières)
374 publications, 1975-2012
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Technologies d’exploitation des gaz de shale
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
La fracturation Hydraulique
Inventée en 1949
Plus d’un million de puits
Toutes applications
En 1990 elle est associée au forage horizontal
Schéma d’un forage horizontal utilisant une fracturation hydraulique
Source: Induced seismicity potential in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012
Les fractures sont en jaune (cf agrandissement). Le forage appelé « domestic well » donne une échelle comparative des profondeurs d’exploitation pour l’eau. Les profondeurs indiquées sont les moyennes observées pour les USA (les profondeurs et distances de 2000 et 10000 pieds correspondent à environ 600 et 3000 m).
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25% du gaz est produit la première année
James E. Mason, Hydrogen Research Institute, Farmingdale, NY, Oil & Gas journal
Production à Fayetteville (USA)
5 puits
en m
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Les impacts environnementaux
Technique de fracturation hydraulique par puits horizontaux et enjeux environnementaux associés à la production de gaz de schiste. Image de fond : Schlumberger.
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Les impacts environnementaux spécifiques aux gaz de schiste
- Mise en contact avec un aquifère profond du fait du réseau de fissures existant.
- Mise en contact avec un aquifère profond du fait d’une fracturation progressant vers la surface.
- Consommation d’eau - Emploi du procédé à une
très grande échelle avec multiplication des puits.
X
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- Mauvaise étanchéité du tubage (casing) au passage d’un aquifère
- Fuite de surface (arrive aussi pour les gisements conventionnels!)
- Traitement des eaux de forage (lixiviation, réinjection souterraine, filière de traitement en surface)
- Remplacement d’additifs dangereux par des équivalents moins nocifs (REACH)
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Les impacts environnementaux non spécifiques aux gaz de schiste
Fracturation hydraulique: la consommation d’eau Shale (USA) Profondeur
(m) Porosité (%) Carbone
organique (%)
Profondeur aquifère (m)
Eau consommée
m3/puits
Barnett 1980-2591 4-5 4,5 366 8700
Fayetteville 304-2135 2-8 4-10 152 11000
Haynesville 3200-4115 8-9 0,5-4 122 10200
Marcellus 1220-2590 10 3-12 259 14400
GWPC and ALL Consulting, 2009
Pour comparaison: Un golf haut de gamme de 18 trous en France consomme en moyenne 5.000 m3/jour, (eau apportée, ref : rapport
OPECST, Sénat 2003)
ce qui correspond à la production nécessaire à la satisfaction des besoins d'une collectivité de 12.000 habitants
ce qui correspond à la moitié des besoins en eau d’un puits de shale gaz
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Modifié d’après Arthur et al. 2009 (2009 SPE Americas E&P Environmental & Safety Conference, San Antonio, TX, SPE 121038)
polyacrylamide Acide Chlorydrique
glutaraldéhyde
quinoléine
isopropanol
hydroxyéthylcellulose
Ethylene glycol
La contamination chimique…les additifs
Une dizaine de produit parmi 750 références vendues par 2500 sociétés aux USA
Du bénin au dangereux
carbonates
sables
Gomme de guar
La contamination chimique… le sous-sol
Indépendamment des additifs injectés, les substances naturelles associées aux fluides des gisements de gaz peuvent être remontées en surface.
Les Schistes à gaz sont aussi des ressources minières !
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Le fluide de formation (saumure)
Les Gaz (méthane, éthane, sulfure d’hydrogène, Hydrogène, hélium)
Eléments en trace (mercure, plomb, arsenic, lithium, fer, …)
Élément en trace radio-actif (Radium, Thorium, Uranium)
Matière organique (acides, aromatiques polycycliques volatils et semi volatils),
Fuites de méthane observées : Origines possibles
1- Méthane biogénique: généré par la respiration des microorganismes dans les couches plus superficielles
2- Méthane géogénique: flux naturel dans les zones de failles de fortes pressions
3- Méthane exploité : fuites induites par les activités de fracturation Différentiation possible des origines par la signature chimique et isotopique
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Nature des chemins de migration - fracturation existante - fracturation induite - fuite entre puits de production ou puits voisins
Migration des gaz différente de la Migration des fluides - chemins d’écoulement différents - processus de transport différents (vitesse de migration)
plate-forme de forage (Horn River Basin), 14 puits forés Durée de la mise en place ~1 an 1/2
Occupation des sols (aux USA)
Zone d’exploitation dans le Wyoming (Jonah Field)
J. SARTORE/National Geographic Stock
Densité des infrastructures aux USA : 3.5 « plates-formes » / km2
En moyenne 6 puits par plate-forme, max actuel 40
Source: [Wood et al.,
2011; rapport, Université
de Manchester,
Angleterre]
plateformes
La densité des forages
1-1,5 km (extensible 4 km)
Exemple de projet à 16 drains 6,4 x1,7 km
• Sismicité induite: elle est faible car les volumes d’eau injectés sont plutôt faibles et les injections sont de courtes durées (quelques heures à quelques jours). La magnitude est très faible (négative = chute d’un objet lourd).
• La sismicité induite est différente de la sismicité déclenchée, possiblement plus forte.
Coupe au travers d’un puits de stimulation montrant six épisodes d’hydrofracturation et la sismicité induite (magnitude -1,0 to -2,5) en moins de 24 heures.
Warpinski et al., 2005
Le Risque sismique
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Carte de la sismicité induite aux USA à l’occasion de diverses injections de fluide
Source: Induced seismicity potential in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Relation entre les magnitudes maximales recensées des séismes créés ou probablement créés par des injections de fluides pour la production d’énergie aux USA et la quantité de fluide injecté pour différentes applications Source: Induced seismicity potential
in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Ou en est la recherche
• Mais des recommandations exprimées dans le Rapport de l’Alliance pour l’Energie ANCRE « Programme de Recherche sur l'Exploitation des Hydrocarbures de Roches Mères »
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Aucun programme de recherche public en France sur ce sujet
Recommandations
Gaz de schiste, Institut Montaigne le 14 01 2013
Connaître la ressource
Améliorer et Controller les techniques existantes
Développer des technologies alternatives
Impliquer le citoyen
Définir et appliquer les réglementations
Mettre en place un site pilote de recherche