Presentation bruno goffe_gaz_schiste

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.
2013

Formation des Hydrocarbures

Le pétrole et le gaz
naturel se forment
dans les bassins
sédimentaires entre
1000 et 6000m de
profondeur

Coupe dans la
partie externe de la
terre
2013

Origine du Pétrole et du Gaz naturel
(formation de roches-mères)

Forêts inondées Lacs ou mer

Enfouissement et dégradation des
plancton
végétaux dans des marécages
Compaction et altération
chimique Plancton mort coule

Boues riches en
matière organique

Un profond enfouissement génère du L’enfouissement génère du

charbon et du gaz Pétrole et du gaz

2013

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

2013

Les différents types de gisements de gaz

roches
poreuses et
perméables

Gisements non conventionnels
roches poreuses et imperméables

Gaz de schiste: méthane (gaz shale)
Gaz de houille: méthane (coalbed methane)
Gaz de mine: méthane
Huiles de schistes: hydrocarbures souvent lourds (oil shale)
2013

Gaz de mine : exploitation existante nord de la
France

2013

Relations entre sources de
Huile
matières organiques
+
Gaz profondeur et température
Ref : http://www.ihrdc.com/
+
Kerogène

lacustre

marins

terrestre

2013
http://monash.edu/

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).
2013

Dans le monde

2013

Dans le monde

Source IEA WO 2011

2013

Les ressources de gaz de shale et gaz de
charbon en Europe
Shale (oil+gas)
Charbon

2013 Source: Le Monde, 21/12/2012

En France
exemple du Bassin Parisien

Source BRGM

Du charbon à très grande
profondeur (6000m) dans le socle?
2013

L’état de la connaissance académique: huile de shale

3759 publications, 1975-2012

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. Institut Montaigne le 14 01
Gaz de schiste,
2013

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.
2013

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)

2013

Technologies d’exploitation des gaz de shale

La fracturation
Hydraulique
Inventée en 1949

Plus d’un million de
puits
Toutes applications

En 1990 elle est associée
au forage horizontal

2013

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).
2013

Production à Fayetteville (USA)
5 puits
en millions de pieds cube

25% du gaz est produit la première année

James E. Mason, Hydrogen Research Institute, Farmingdale, NY, Oil & Gas journal

2013

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.
2013

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
X d’une fracturation
progressant vers la
surface.
- Consommation d’eau
- Emploi du procédé à une
très grande échelle avec
multiplication des puits.
2013

Les impacts environnementaux non spécifiques
aux gaz de schiste
- 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)
2013

Fracturation hydraulique: la consommation d’eau
Shale (USA) Profondeur Porosité (%) Carbone Profondeur Eau
(m) organique aquifère (m) 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

2013

La contamination chimique…les additifs
Ethylene glycol
Du bénin au hydroxyéthylcellulose
dangereux
Gomme de guar
carbonates
sables

isopropanol

quinoléine

polyacrylamide Acide Chlorydrique
glutaraldéhyde

Modifié d’après Arthur et al. 2009 (2009 SPE Americas E&P Environmental & Safety Conference, San Antonio, TX, SPE 121038)

Une dizaine de produit parmi 750 références vendues par 2500 sociétés aux USA

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.

 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),

Les Schistes à gaz sont aussi des ressources minières !

2013

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

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)

2013

Occupation des sols (aux USA)

plate-forme de forage (Horn River Basin), 14 puits forés
Durée de la mise en place ~1 an 1/2

Zone d’exploitation dans le Wyoming (Jonah Field)
J. SARTORE/National Geographic Stock

La densité des forages
Densité des infrastructures aux USA : 3.5 « plates-formes » / km2
En moyenne 6 puits par plate-forme, max actuel 40

plateformes

Source: [Wood et al.,
2011; rapport, Université
de Manchester,
Angleterre]
1-1,5 km
(extensible 4 km)

Exemple de projet à 16 drains 6,4 x1,7 km

Le Risque sismique
Warpinski et al., 2005

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.

• 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. 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

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

2013

Ou en est la recherche
Aucun programme de recherche public
en France sur ce sujet
• 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 »

2013

Recommandations

 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

2013

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