Gaz de schistes Les conséquences sanitaires de leur exploitation

Gaz de schistesLes conséquences sanitaires de leur

exploitation. Bruno Goffé

Affleurement de couches contenantdu gaz de schiste (Fontaine ardentede Gua dans le Dauphiné)

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume13/09/2013

TerminologieSchiste, 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 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,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

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

13/09/2013


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

Forêts inondées

Enfouissement et dégradation des végétaux dans des marécages

Enfouissement et dégradation des végétaux dans des marécages

Compaction et altération chimique

Compaction et altération chimique

Un profond enfouissement génère du

charbon et du gazUn 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 gazL’enfouissement génère du

Pétrole et du gaz

13/09/2013


Formation des HydrocarburesSous 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 Migration

primaire : gaz quitte la roche mère par excès de pression

Migration secondaire : gaz/huile, moins dense que l’eau, se déplace par flottaison à travers les roches perméables

discordanceCouche imperméable

13/09/2013

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


Les différents types de gisements de gaz

Gisements non conventionnels

roches poreuses et perméables

roches poreuses et imperméables

13/09/2013

Gaz de mine : exploitation existante nord de la France


Le gaz de Mine (Grisou) se dégage de la roche fracturée par l’exploitation

Pour limiter les risques liées à la présence de gaz dans le galeries, le gaz est partiellement récupéré et acheminé en surface où il est valorisé en chauffage

L’ennoyage progressif des mines, par les eaux issues de la nappe phréatique à pour effet de pistonner le gaz dans les vides miniers, augmentant la pression et poussant ainsi le gaz vers la surface

Des stations de captage récupèrent le gaz de mine

Le grisou est utilisé pour alimenter le chauffage urbain

Pendant l’exploitation de la mine Après la fermeture de la mine

13/09/2013

Relations entre sources de matières organiques

profondeur et température

lacustre

marins

terrestre


Kérogène

Huile+

Gaz+

http://monash.edu/

Réf : http://www.ihrdc.com/

13/09/2013

Dans le monde


En Tcm = Terra m3

Pour exemple, la consommation mondiale de gaz en 2008 = 2,5 Tcm

Celle de la France = 0,05 Tcm/an, Lacq à produit 0,23 Tcm13/09/2013

Dans le monde


Robert Siegfried - Les gaz de schiste –

Academy of Sciences – February 26, 2013

Source IEA WO 2011

Les ressources de gaz de shale et gaz de charbon en Europe

Shale (oil+gas)Charbon


13/09/2013Source: IEA 2012

En France exemple du Bassin Parisien


Source BRGM

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

13/09/2013

13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

En France exemple des Bassins du Sud de la France

Houille du bassin des CévennesSchistes cartons du Toarcien (180 Ma)

Référence : Michel Séranne & Nicolas Arnaud, 26 Février 2013, académie de Sciences

SUD EST

SUDGrands Causses

« Black-shale » Autunien (280Ma)

Incertitudes sur la

ressource de 1 à 1000

Marin

Lacustre

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

13/09/2013

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 « domestique 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).


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

illio

ns d

e pi

eds

cube


--------- ----- ~ 2 millions m3 --------------------------------------------------------

--------- --------------------- ~ 1 millions m3 ----------------------------------------

13/09/2013

Les impacts environnementaux et risques sanitaires

Technique de fracturation hydraulique par puits horizontaux et enjeux environnementaux associés à la production de gaz de schiste. Image de fond : Schlumberger.


Émissions atmosphériques de

méthane

13/09/2013

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

Occupation des sols (aux USA)


Sites de forages

13/09/2013

Densité des puits est dépendante des Propriétés des roches, des technologies mais aussi de la réglementation et de l’étendue de la propriété (limitée aux USA car privée), sans limite en France (car publique)

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


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


- Mauvaise étanchéité du tubage (casing) au passage d’un aquifère

- Fuite de surface

- Traitement des eaux de forage (lixiviation, réinjection souterraine, filière de traitement en surface)

- Additifs dangereux (soumis en Europe à la directive REACH)


Les impacts environnementaux non spécifiques aux gaz de schiste

13/09/2013

Fracturation hydraulique: la consommation d’eauShale (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)


Tendance actuelle à la diminution de ces quantités (2 à 3 fois moins)

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

polyacrylamide Acide Chlorhydrique

glutaraldéhyde

quinoléine

isopropanol

hydroxyéthylcellulose

Ethylène 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-solIndépendamment 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 radioactif (Radium, Thorium, Uranium)

Matière organique (acides, aromatiques polycycliques volatils et semi volatils),

13/09/2013

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- fuites atmosphériques avec le retours des fluides de fracturation

Migration des gaz différente de la Migration des fluides- chemins d’écoulement différents- processus de transport différents (vitesse de migration)

13/09/2013

• 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 de 1m de haut).

• La sismicité induite est différente de la sismicité déclenchée, possiblement plus forte.

Coupe au travers d’un puits de stimulation montrant six épisodes d’hydro fracturation et la sismicité induite (magnitude -1,0 to -2,5) en moins de 24 heures.

Warpinski et al., 2005

Le Risque sismique


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


13/09/2013

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


Le risque sanitaire peut être maitrisé par :


La Connaissance de la ressource et des roches (propriétés chimique, mécanique)

La qualité et sécurité des technologies (meilleures pratiques)

Définition et applications des réglementations Mettre en place un site pilote de recherche

13/09/2013

13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

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Gaz de schistes Les conséquences sanitaires de leur exploitation