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Les Hydrocarbures non-conventionnels

Les « gaz de roche-mère », les « huiles de roche mère » et les « gaz de houille »

CSTI, Vanosc, le 26 novembre 2011

D. Bonijoly

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Présentation générale du BRGM

> Établissement public de recherche et d’expertise (EPIC). Certifié Qualité ISO 9001. Labellisé Carnot (recherche partenariale)placé sous la tutelle du Ministère délégué à l'Enseignement supérieur et à la Recherche et du Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement et Durable et de la Mer .

> Deux objectifs :• Comprendre les phénomènes géologiques, développer des

méthodologies et des techniques nouvelles, produire et diffuser des données pertinentes et de qualité

• Mettre à disposition les outils nécessaires aux politiques publiques de gestion durable du sol, du sous-sol et des ressources, de prévention des risques naturels et des pollutions, d’aménagement du territoire

> Quatre missions :• Recherche et développement technologique et innovation • Appui aux politiques publiques et information des citoyens • Coopération internationale et aide au développement • Prévention et surveillance des anciens sites miniers

L’énergie, quel choix pour demain

http://energy.er.usgs.gov/images/geochemistry/petroleum_compounds.png

Les hydrocarbures

Formation de la roche mère

Formation des réservoirs conventionnels

Hydrocarbures Non Conventionnels (HNC), prisonniers de la roche mère

Hydrocarbures Conventionnels

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> 4Sources iconographqiues : IFPEN et Université de Laval http://www.ggl.ulaval.ca/

Les hydrocarbures conventionnels résultent de la maturation de la roche mère (en bleu), d’où migrent les hydrocarbures qui sont ensuite piégés dans des réservoirs poreux et perméables.

Les hydrocarbures « non-conventionnels » (HNC) sont restés piégés au niveau de la roche mère.Si la roche mère a subit un enfouissement entre 2000 et 3000 mètres, elle produit des hydrocarbures liquides (Shale Oil), et au-delà des hydrocarbures gazeux (Shale Gas).

SHALE OILSHALE OIL

SHALE GASSHALE GAS

Les hydrocarbures


Le charbon

> Formation du charbon : • quantités phénoménales de

débris végétaux provenant des forêts s'accumulent dans des zones favorables, au bord de la mer ou d'une lagune.

• plusieurs millions d'années sont nécessaires pour que le processus de transformation aboutisse

Sources iconographiques : wikipedia > 5


Audition HNC 06/03/2010

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Les relations méthane - charbon

Contenu en gaz des charbons

Gardanne Nord Pas de Calais Lorraine

Alpes


Maturation de la matière organique

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Plancton (algues)

Spores

Matière ligno-cellulosique


Une roche hôte particulière : les roches argileuses

> Des minéraux hydrophiles aux capacités d’adsorbtion parfois remarquables• phyllosilicates

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> Processus d’absorbtion et d’adsorbtion• Fixation et échange de cations

> Les argiles, grâce à leurs propriétés électro-chimiques ,ont la capacité de :• former des complexes organo-minéraux,

• piéger les éléments métalliques,

• piéger les éléments radio-actifs,

• piéger l’eau (gonflement)

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Illite


> Fixation des métaux lourds• dépend de la minéralogie des argiles

– Sépiolite > bentonite > palygoskite > illite > kaolinite (pour le Zn)

• de la variation du pH

– Ex. Oklo – acidification des eaux entrainent une augmentation de la CEC des argiles - piégeage du l’U235

• dépend de la charge des argiles

> Une désorption facilitée• Par un changement de pH du milieu

• Par un changement de concentration de l’eau de formation

• Par un changement de pression

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Les hydrocarbures

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> Quelques définitions :

• Roche mère : accumulation de matières minérales et de matières organiques

• Maturation de la matière organique : transformation sous l’effet de la température de la matière organique en huile, en gaz et en charbon

• Hydrocarbures conventionnels : hydrocarbures sous forme liquide ou gazeux, qui afflue naturellement à la surface lors de l’extraction (avec ou sans pompes) sans nécessiter d’autre étape de traitement ou de dilution

• Hydrocarbures non conventionnels : bruts extra-lourds, bitume, sables asphaltiques et schistes bitumineux (oilfacts.ch) qui nécessite de stimuler la roche dans laquelle ils sont piégés dès la première phase d'exploitation pour obtenir une production commerciale (ifpen)


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Carte des ressources mondiales en huile de roche mère

Source : An Overview of Oil Shale Resources (2010), Emily Knaus, James Killen, Khosrow Biglarbigi,and Peter Crawford in Oil Shale: A Solution to the Liquid Fuel Dilemma; Ogunsola, O., et al.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2010.

Ressources mondiales : environ 390 to 460 milliards de tonnes. Europe : 16 milliards de tonnes France : 920 millions de tonne, 3ième principal détenteur après l’Italie et l’Estonie

Les hydrocarbures non-conventionnels

> 13http://www.petroleum-economist.com/images/46/25529/shale1.gif

Distribution des ressources potentielles en « shale gas » à l’échelle mondialeRessource estimée à 16 112 tcf soit 456 000 milliards de m3 (US National Petroleum Concil)

Les hydrocarbures non-conventionnels

Ressources mondiales en gaz de roche mère


> 14Source :: U.S. Energy Information Administration based on Advanced Resources International, Inc. data

Ressources mondiales : environ 456 mille milliards de m3 (Tm3) dont 180 récupérables. Europe : 6,5% soit 30 Tm3 France : 5 Tm3, 2ième principal détenteur juste après la Pologne.

Les hydrocarbures non-conventionnelsCarte des ressources mondiales en gaz de roche mère

Réunion de lancement 07/01/2010

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Les hydrocarbures non-conventionnelsCarte des prospects de HNC en Europe

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Les hydrocarbures non-conventionnelsCarte des prospects de HNC en Europe


www.metstor.fr

Les hydrocarbures non-conventionnels en France

Bassin de ParisShale oil

JuraShale gas

Bassin du SEShale gas

CaussesShale oil

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Les cibles jurassiques (Toarcien…)Shale oil & Shale gas


Les cibles permo-carbonifères potentiellesShale gas & Coal Bed Methane

Yves Paquette – rapport des Houillères de Bassin du Centre et du Midi

Lorraine

bassin de Paris

Sillon houillerDe Blanzy à Ronchamp

Bassin du sud du Massif centralDe Brive à Alès

Bassin de l’Arc (Gardanne)

Nord Pas de Calais

En jaune : gisementspermo-carbonifères(-245 à -345 Ma)En vert : gisement crétacé (-70 à -76 Ma)

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Les hydrocarbures non-conventionnels en France


Les HNC en France

Lias du bassin de ParisHuile de roche mère

Permo Carbonifère de LorraineGaz de houille

Source BRGM

Position des aquifères au regard des cibles HNC

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Coupe géologique simplifiée du bassin de ParisPosition du Lias marneux et principaux aquifères

Le Lias du bassin de ParisCarte du toit des argiles du

Toarcien (185 Ma)Formation géologique contenant la roche-

mère « Schistes cartons »

> 20Sources : www.toreador.net

Comparaison entre le potentiel Shale Oil du bassin de Paris et celui de Bakken (USA / Canada), publié par la compagnie Toreador sur son site web

Comparaison USA - France – huiles de roche-mère


Les HNC en France – Le Lias du bassin du Sud-Est

0

2000

Source BRGM > 21

Permis d’exploration attribués en France pour les Shale Gas : Nant, Villeneuve de Berg et Montélimar.Sur le permis de Montélimar, Total annonce 85 tcf de gaz en place soit 2400 milliards de m3 (Les Echos, 28/01/2011).A titre de comparaison, la consommation annuelle de gaz en France est de 45 milliards de m3.


LES HNC EN FranceLe Lias du bassin du Sud Est

Source : Documents du BRGM, Géologie Profonde de la France, 1992

TOARCIEN Épaisseur 550m

Balazuc

Villeneuve de Berg Valvignères

2650 m

40

0 m

calcaire

argiles

marnes

calcaire alternances

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> 23

Gas shaleBassin du Sud-Est *

Gas shaleBassin de Barnett **

TOC 4 à 6% 4,5%

Tmax 500-510°C 455°C

Roche mère Argiles Argiles

Matière organique Type 2 probable Type 2

Environnement de dépôt Marin profondSyst. Progr. bas niveau

Marin restreint

Epaisseur nette 200 m ? 90 m

Porosité ? 6%

Perméabilité ? 0,02 mD

Comparaison USA – France – gaz de roche-mère

* Organic geochemistry and thermal history of the Mesozoic series of the Ardeche Margin, Disnar, J.R., (1996), Marine and Petroleum Geology** Assessment of the Gas Potential and Yields from Shales: the Barnett Shale Model, Daniel M. Jarvie, Ronald J. Hill, and Richard M. Pollastro. in Cardott, B.J. (ed.), Unconventional energy resources in the southern Midcontinent, 2004 symposium: Oklahoma Geological Survey Circular 110, 2005, p. 37-50


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> Fracturation hydraulique • pour augmenter la perméabilité

• acidification, fracturation hydraulique, fracturation hydraulique avec sable, autres produits pour faciliter la fracturation

Exploiter le gaz de roche-mère par forage

Les fracturations sont réalisées par injection d’un fluide sous pression. Ce fluide est composé d’eau (20 000 m3 par forage, en moyenne), d’additifs chimiques et de particules permettant de maintenir les fractures ouvertes.


Exploiter le gaz de roche-mère

Audition HNC 06/03/2010

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>Les contraintes de la technique• +/- 20 000 m3 d’eau par puits

• +/- 3 million m3 d’eau requis par jour aux USA four la fracturation hydraulique

• 25 puits consommeraient en eau, l’équivalent de la consommation d’une commune française de 10 000 habitants

• 20 à 100 % of du fluide de fracturation est récupéré

> 25

La formulation chimique varie d’un champ à un autre et d’un puis à un autre

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Risques lié à la fracturation hydraulique :

Impact quantitatif sur la ressource en eau

•Besoins importants en eau : entre 8000 et

16 000m3 par forage

•Evaluer les besoins en quantité et qualité (gestion de

•la ressource en fonction des contextes géographiques)

Risque : impact sur la ressource en eau

(diminution de niveau piézométrique, diminution de

débit de cours d'eau...)

•Une bonne connaissance des ressources en eaux de surface ou peu profondes (B2D Ades, BDHydro, BDRHF), des modèles de gestion des ressources

•Des connaissances très fragmentaires sur les eaux profondes

Impacts et risques spécifiques de l'exploitation



Utilisation de produits chimiques : 0,5% environ, pour développer l’extension des fractures et les maintenir ouvertes

•Gestion des effluents liquides et gazeux

•Analyses des entrants/sortants

Risque :

•Influence du fluide sur la minéralogie des roches (géochimie)•Contamination des eaux de surface et souterraines•Risques sanitaires associés aux émanations gazeuses en surface (toxicité des additifs)




Désorption des éléments adsorbés ou absorbés par les minéraux des roches mères lors de la production du fluide de fracturation

Risque : désorption de complexes organo-minéraux, des éléments métalliques (Pb, Zn, Cu, …) et/ou d’éléments radioactifs (Uranium, radium, radon)

La désorption est facilitée

• Par un changement de pH du milieu

• Par un changement de concentration de l’eau de formation

• Par un changement de pression

Illite



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Risque liés à la fracturation hydraulique (suite):

Déformation du massif (augmentation ou retrait sous l'effet de la pression)

Risque : déformation en surface



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Risque liés à la fracturation hydraulique (suite):

Sismicité induite

•Sismicité résultant de la fracturation

hydraulique très faible (nécessite des capteurs à haute sensibilité)

•Sismicité de magnitude 1 à 2,5 induite par l’injection de saumure

Risque : réactivation de fractures existantes résultant de la modification locale des contraintes tectoniques



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Risques liés aux installations de surface :

Installations similaires à l'extraction conventionnelle (moyens de forage, collecte de gaz, installations de stockage de gaz et de fluides...)

Installations spécifiques :

•Installations de stockage, de mélange (eau+sable+réactifs) et d'injection d'eau sous haute pression

•Installations de récupération, de stockage et de traitement de « l'eau usée »

Nuisances

•Nuisances sonores

•Circulation d'engins

•Pollution air

•Impact paysager

•Pression foncière et prix de l’immobilier

•Limitation de l'usage des terrains de surface



> 32

> 32

• Augmentation de la pression sur l’eau

• Fuite de gaz ou d’eau de gisement dans un aquifère superficiel via les forages

• Équipent de traitement des eaux inadapté

• Fuite de gaz ou d’eau de gisement par failles

• Sismicité induite inattendue

Scénario dégradé

Conclusion

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> La France dispose d’un grand nombre de formations géologiques aptes à produire

–De l’huile ou de gaz de roche mère

–Du gaz de houille• Le potentiel existe mais

• Les ressources ne sont pas connues

– Elles ont été estimées à partir d’un très petit nombre de données de forage

• Quant au calcul des réserves, celui-ci est du domaine des travaux d’exploration


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Un éventuel déploiement de la technologie de production des Gaz et Huiles de schiste nécessite de :• Identifier les enjeux environnementaux, en termes notamment de

disponibilité et de vulnérabilité des ressources en eau ;

• Établir les scénarios-type à considérer (évolution normale / altérée) sur des cas théoriques représentatifs de chaque bassin (en priorité les zones où ont été déposées des demandes)

• Réaliser un inventaire des mesures de maîtrise du risques disponibles

• Proposer des préconisations sur les modalités d’études des impacts et des risques dans les documents réglementaires à fournir par les opérateurs (phase d’exploration et d’exploitation)

Conclusion


Bénéfices:

•Emplois directs (ex. état de New York : environ 30.000 emplois)

•Revenus fiscaux (ex. état de New York : 185 millions de US$

Coûts

•coûts environnementaux (Analyse du Cycle de Vie)

•Impacts sur les émissions de gaz à effet de serre

Conclusion
