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VERI – Centre de Recherche de Saint-Maurice Livrable5.1.3-VERI.docx

Programme de recherche ANR CIPRES

« Caractérisation des Impacts Potentiels du stockage

géologique de CO2 sur la qualité de la Ressource en Eau

Souterraine »

Livrable L5.1.3 - Guide méthodologique pour la mise en œuvre des

programmes de monitoring

Solenne GRELLIER (VERI), Julie LIONS (BRGM), Philippe GOMBERT (INERIS)

Avec la collaboration de :

Frédérick GAL et Catherine JOULIAN (BRGM)

Zbigniew POKRYSZKA et Stéphane LAFORTUNE (INERIS)

Patrice SQUARCIONI et Jérôme BARRIERE (HYDRO INVEST)

Pierre AGRINIER et François PREVOT (IPGP)

Fabrice MULLER (ISTO)

Date de publication : septembre 2015

VERI – Centre de Recherche de Saint-Maurice sur 98 Livrable5.1.3-VERI.docx

RESUME

Le stockage géologique de CO2 est aujourd’hui encadré par différentes réglementations et guides de bonnes pratiques afin de sécuriser la filière. Cependant, les recommandations vis-à-vis de la ressource en eau, et notamment des aquifères d’eau douce pouvant être utilisés pour l’alimentation en eau potable, se limitent à des recommandations générales succinctes. Le projet ANR CIPRES (programme SEED 2011) vise donc à améliorer les connaissances et les recommandations existantes en terme de méthodologie de surveillance de ces aquifères. Ce guide s’est donc tout d’abord attaché à résumer la réglementation et les recommandations existantes vis-à-vis des aquifères et du stockage géologique de CO2 afin de proposer une méthodologie de surveillance focalisée sur la ressource en eau souterraine, à la fois au sein de la zone saturée (aquifères) et de la zone non saturée. Cette méthodologie rassemble les pratiques de surveillance générique des aquifères. Elle propose aussi, pour chaque étape du cycle de vie d’un stockage géologique, des paramètres de base à surveiller, des paramètres spécifiques, des recommandations minimales en termes de durée, de fréquence de suivi et d’emplacement. Un arbre décisionnel pour la mise en place de la surveillance des aquifères dans la zone d’emprise du complexe de stockage* est également proposé, pour adapter la surveillance et réagir au mieux aux changements de tendance possibles de la qualité des aquifères. Les enseignements issus des techniques de surveillance appliquées lors du projet sont également présentés (pour la zone saturée et non saturée).

Mots-clés : stockage géologique de CO2, surveillance des aquifères, impacts, qualité des eaux souterraines

ABSTRACT

Delivrable L5.1.3 - Guidelines on the implementation of monitoring programs Several regulations and guidelines are available for geological storage of CO2 in order to secure the supply chain. However, guidelines towards groundwater resources, including aquifers that can be used for drinking water supply, are limited to brief and general recommendations. The ANR CIPRES project (program SEED 2011) aims at improving the existing guidelines in terms of aquifers monitoring methodology. So this guide was designed to summarize the existing regulations and guidelines towards aquifers and geological storage of CO2 in order to provide a focused monitoring methodology on groundwater resources, both in the saturated zone (aquifers) and the unsaturated zone. This methodology proposes global aquifer monitoring practices, but also, for each stage of the life cycle of a geological disposal site, basic parameters to be monitored, specific parameters, minimum recommendations in terms of duration, monitoring frequency and location. A decision tree for the establishment of aquifers monitoring in the area of review of the storage complex* is also proposed to adapt the monitoring according to changes of the aquifers quality trend. The lessons learned from monitoring techniques applied during the project are also presented (for the saturated and unsaturated zone). Keywords: geological storage of CO2, aquifers monitoring, impacts, groundwater quality


REMERCIEMENTS

Les partenaires du projet CIPRES tiennent à remercier l’Agence Nationale pour la Recherche (ANR) pour le financement accordé au projet dans le cadre de l’appel ANR SEED 2011, qui a permis d’accomplir le travail réalisé. Les auteurs tiennent aussi à remercier tout particulièrement les personnes, extérieures au projet, ayant participé aux Groupes de Travail organisés lors de ce projet, pour leurs retours et suggestions sur ce rapport, notamment Delphine Patriarche, David Dequidt, Elodie Jeandel et Hubert Fabriol.


SOMMAIRE

PARTIE I - INTRODUCTION - PREAMBULE 13

I. OBJECTIFS DE LA SURVEILLANCE DES AQUIFERES .............................................................................. 14

II. RISQUES POTENTIELS LIES AU STOCKAGE DE CO2 ............................................................................... 15

II.1. Contexte général .............................................................................................................................. 15

II.2. Cas de la qualité des eaux souterraines ............................................................................................ 17

PARTIE II - SUIVI REGLEMENTAIRE SANITAIRE DES AQUIFERES 19

I. ÉTAT DE L'ART DES SUIVIS DE LA QUALITE DES AQUIFERES ............................................................... 20

I.1. Réglementation ................................................................................................................................ 20

I.2. Réseaux de contrôle et paramètres de suivi ..................................................................................... 22

I.2.1. Réseaux de surveillance et fréquence des mesures .................................................................. 22 I.2.2. Surveillance des paramètres .................................................................................................... 23

I.3. Mise en place du suivi opérationnel par les fournisseurs d’eau potable .......................................... 25

I.3.1. Délimitation des zones de protection des eaux souterraines .................................................... 25 I.3.2. La conception du réseau de surveillance, paramètres clés et fréquences de contrôle .............. 26 I.3.3. Evolution du réseau de surveillance ........................................................................................ 26

I.4. Recommandation de réalisation d’une ligne de base ....................................................................... 26

I.4.1. Définition ................................................................................................................................. 26 I.4.2. Conception de réseaux de suivi de qualité pour la ligne de base d’un aquifère ...................... 26 I.4.3. Recommandations pour l’acquisition des données .................................................................. 27 I.4.4. Quantification de la ligne de base ............................................................................................ 28

PARTIE III - STRATEGIE DE SURVEILLANCE DES AQUIFERES PENDANT ET APRES LE STOCKAGE DE

CO2 29

I. REGLEMENTATION POUR LE CAPTAGE ET LE STOCKAGE GEOLOGIQUE DU DIOXYDE DE CARBONE

(CSC) .............................................................................................................................................................. 30

I.1. En Europe ......................................................................................................................................... 30

I.1.1. Surveillance pendant l’exploration et l’exploitation ................................................................ 31 I.1.2. Surveillance post exploitation ................................................................................................. 31

I.2. Aux Etats-Unis ................................................................................................................................. 32

I.3. En Australie...................................................................................................................................... 35

I.4. Au Canada ........................................................................................................................................ 35

II. RECOMMANDATIONS EXISTANTES POUR LA SURVEILLANCE DES AQUIFERES ................................... 37

II.1. Guides de bonnes pratiques .............................................................................................................. 37

II.2. Délimitation de la zone d'emprise du complexe de stockage et de la zone de surveillance ............. 38

II.3. Conception du réseau de surveillance et plan de surveillance ......................................................... 39

II.3.1. Introduction ............................................................................................................................. 39 II.3.2. Etapes de la vie d’un site de stockage géologique de CO2 ...................................................... 40 II.3.3. Points clé d’un plan de surveillance d’un site de stockage géologique de CO2 vis-à-vis des

aquifères 44


II.3.4. Outils disponibles pour la surveillance d’un site de stockage géologique de CO2 et son

dimensionnement ..................................................................................................................................... 48

II.4. Eléments de définition de la ligne de base propres au stockage géologique de CO2 ...................... 49

II.4.1. Eléments de définition de la ligne de base pour la zone saturée .............................................. 50 II.4.2. Eléments de définition de la ligne de base pour la zone non saturée (gaz des sols) ................ 51

PARTIE IV - RECOMMANDATIONS CIPRES (SYNTHESE) 53

I. PREAMBULE ............................................................................................................................................ 54

II. RECOMMANDATIONS GENERALES AU COURS DU CYCLE DE VIE D’UN PROJET DE STOCKAGE DE CO2

54

II.1. Remarques générales ........................................................................................................................ 54

II.2. Caractérisation du site ...................................................................................................................... 58

II.2.1. Synthèse régionale ................................................................................................................... 58 II.2.2. Exploration .............................................................................................................................. 58 II.2.3. L’aménagement ....................................................................................................................... 63

II.3. L’exploitation ................................................................................................................................... 66

II.4. Période de surveillance après l’arrêt de l’injection .......................................................................... 73

II.5. Évolution vers une situation de stabilité à long terme ..................................................................... 77

II.6. Synthèse des recommandations ........................................................................................................ 79

III. RECOMMANDATIONS SPECIFIQUES ....................................................................................................... 82

III.1. Techniques de prélèvement dans les aquifères profonds ................................................................. 82

III.2. Diagraphies ...................................................................................................................................... 84

III.3. Échantillonneurs passifs ................................................................................................................... 84

III.4. Suivi de la qualité de l’eau ............................................................................................................... 85

III.5. Gaz dissous ...................................................................................................................................... 86

III.6. Synthèse des recommandations spécifiques pour la surveillance de la zone saturée ....................... 86

III.7. Suivi de la zone non saturée (ZNS) .................................................................................................. 89

PARTIE V - CONCLUSION 92


LISTE DES ABREVIATIONS

AEP Alimentation en Eau Potable AoR Area of Review

Terme équivalent en français : zone d’emprise d’un site de stockage CO2 Dioxyde de carbone

Terme équivalent en anglais : Carbon dioxide US EPA United States Environmental Protection Agency

Terme équivalent en français : Agence de Protection de l’Environnement Américaine SGC Stockage Géologique de CO2

Terme équivalent en anglais : Geological Carbon Storage (GCS) GWD Groundwater Directive

Terme équivalent en français : Directive-fille de la DCE (sur les eaux souterraines) IEAGHG International Energy Agency GreenHouse Gas

Terme équivalent en français : Programme de l’Agence Internationale de l’Energie sur les gaz à effet de serre

IGRAC International Groundwater Resource Assessment Center Terme équivalent en français : Centre International de la ressource en eau souterraine

NETL US National Energy Technology Laboratory Terme équivalent en français : Laboratoire National Américain des Technologies de l’Energie

NOx Oxydes d’Azote Terme équivalent en anglais : Nitrogen Oxides

OMS Organisation Mondiale de la Santé Terme équivalent en anglais : World Health Organization (WHO)

UIC Underground Injection Control (US EPA) PGSSE Plan de gestion de la sécurité sanitaire de l’eau

Terme équivalent en anglais : Water Safety Plan (WSP)


GLOSSAIRE1

Aquifère Ensemble formé d’une roche poreuse et perméable (appelée « roche réservoir) et d’une masse d’eau (appelée « nappe ») en écoulement significatif. Sa perméabilité est typiquement supérieure à quelques mD (10-15 m2), en conditions de stockage (conductivité hydraulique supérieure à 1·10-8 m·s-1). Pour le stockage de CO2 en aquifère, on recherchera des formations sédimentaires présentant les valeurs les plus élevées possibles de porosité* et de perméabilité*. Équivalent en anglais : aquifer. Aquifère sensible Aquifère susceptible d’être affecté par un scénario de risque. Un scénario de risque se conclut ainsi par l’apparition d’un phénomène impactant dans un compartiment sensible (par exemple, un aquifère), où il peut impacter un ou plusieurs types d’éléments vulnérables (par exemple, l’homme, la faune, la flore…). Équivalent proposé en anglais : sensitive aquifer. Aquifère vulnérable Aquifère susceptible, du fait de l’exposition au danger, de subir, en certaines circonstances, des dommages. Aquifère de contrôle Formation aquifère située dans le recouvrement sédimentaire* du stockage, à l'extérieur du complexe* et structuralement au-dessus de lui, permettant de détecter, au plus près possible du complexe de stockage* et par un puits dédié, des variations de pression et/ou de chimie occasionnées par une fuite de CO2. En France, la surveillance des stockages de gaz naturel en formations géologiques poreuses donne une place de choix à l'aquifère de contrôle. Équivalent en anglais : overlying monitoring aquifer. Aquiclude Formation géologique de conductivité hydraulique très faible à nulle au sein de laquelle aucun écoulement significatif ne peut se produire. Ce terme est pratiquement obsolète et peut être remplacé par le terme « roche couverture », traduction de l’anglais « caprock ». Équivalent en anglais : caprock Aquitard Formation géologique de faible conductivité hydraulique (semi-perméable) dans laquelle l'écoulement se fait à une très faible vitesse. Équivalent en anglais : aquitard Complexe de stockage La Directive européenne 2009/31/CE introduit la notion de complexe de stockage pour désigner « le site de stockage et le domaine géologique environnant qui est susceptible d’influer sur

1 Issu de (BOUC et al., 2012)


l’intégrité et la sécurité globales du stockage, c’est-à-dire les formations de confinement secondaires ». Le complexe est donc le système de confinement ultime du CO2 stocké (et accessoirement des substances co-injectées) dans un scénario d'évolution normale. Il comprend des terrains et des structures géologiques d'une part, des éléments ouvragés d'autre part. C'est par rapport au complexe de stockage qu'est définie la notion de fuite*, essentielle tant sur le plan de la sécurité que sur celui de la comptabilisation des quantités stockées. Équivalent en anglais : storage complex. Diagraphie S’emploie pour toute mesure physico-chimique réalisée le long d’une verticale (par exemple, le long d’un puits à l’aide d’un outil mobile (ou sonde diagraphique) suspendu au bout d’un câble qui sert à en assurer l’alimentation électrique et envoyer et remonter des informations). Par extension, les diagraphies sont la représentation graphique côte à côte de la variation de plusieurs paramètres physiques en fonction de la profondeur. Équivalents en anglais : wireline logging ou logging. Fuite Mouvement de CO2 (ou de substances co-injectées) hors du complexe* de stockage. Équivalent en anglais : leakage. Ligne de base En matière de surveillance, le terme de « ligne de base » désigne l’acquisition préalable de données au début des opérations de mesures, acquisition qui sera ensuite répétée pendant et après les opérations. Cette ligne de base a pour but de caractériser l’état initial du site (ou « état zéro ») avant toute perturbation induite par les opérations envisagées. Ainsi, la comparaison entre les mesures ultérieures et la ligne de base doit permettre de détecter toute modification générée par les opérations. L’acquisition de la ligne de base peut nécessiter plusieurs mesures sur une période longue pour caractériser la variabilité naturelle du paramètre mesuré (par exemple, le flux naturel de CO2 en surface issu de l’activité biologique varie a priori en fonction des saisons). Équivalent en anglais : baseline. Panache (de CO2) Sous l'effet de l'injection et de la gravité, le CO2 formera dans l'espace poreux du réservoir hôte une phase fluide continue, migrant préférentiellement dans les bancs les plus perméables, et rejoignant la base de la couverture. On appelle communément « panache de CO2 » cette nappe fluide mobile. Après l'injection, le panache se résorbe très lentement, par dissolution du CO2 dans les fluides naturels de la formation ou par interaction avec la roche réservoir. Équivalent en anglais : plume. Perméabilité En hydrogéologie, la loi de Darcy permet de relier le débit d'écoulement au gradient de charge hydraulique, via un coefficient qui est souvent appelé conductivité hydraulique (unité : m·s-1). Ce coefficient dépend d'un paramètre intrinsèque du milieu poreux, la perméabilité (unité : darcy D, 1 D = 10-12 m2), et de propriétés du fluide (masse volumique, viscosité) elles-mêmes fonction des conditions qui règnent dans la roche. Équivalent en anglais : permeability.


Porosité Ce terme désigne aussi bien : - l’espace poreux, au sens de volume de vide délimité par de la matière solide, l’ensemble formant un matériau ; - la fraction volumique de l’espace poreux, définie comme le rapport du volume de vide sur le volume du milieu poreux. Dans tous les problèmes où il est question d’injection (ou de récupération) de phase(s) fluide(s) dans le milieu poreux, il est fondamental de distinguer la porosité occluse (relative aux pores fermés, qui ne sont pas connectés avec l’extérieur du milieu poreux) de la porosité ouverte (relative aux pores connectés avec l’extérieur du milieu poreux, ces pores constituant ainsi une phase géométriquement continue au sein du corps poreux). C’est au travers de cette dernière qu’a lieu la percolation. En pratique, le terme de porosité se réfère à la porosité ouverte rapportée au volume du milieu poreux. Unité : vol. %. Équivalent en anglais : porosity Puits de contrôle Puits atteignant l’aquifère de contrôle*, situé dans le recouvrement*, qui reste isolé du réservoir et permet d'effectuer des mesures (notamment de pression), de procéder à des prélèvements, voire d'intervenir en cas de fuite avérée. Compte tenu des choix préconisés dans le guide de (BOUC et al., 2012), un tel puits ne pénètre pas dans le complexe* de stockage. Équivalent en anglais : control well. Puits de surveillance (ou d’observation) Puits permettant de faire de la surveillance : mesures physico-chimiques, prélèvements de fluide soit directement dans le réservoir, soit dans des formations sus-jacentes, afin de localiser l’extension du panache et d’en détecter les impacts et des fuites éventuelles. Équivalents en anglais : monitoring well. Recouvrement sédimentaire Ensemble des terrains sédimentaires situés au-dessus de la formation considérée. Équivalent en anglais : overburden. Retour d'expérience Recensement et analyse des événements pertinents relatifs à la sécurité survenus sur le site étudié ou sur des installations comparables (en termes de procédés, substances utilisées…), afin d’en tirer les leçons pour améliorer la sécurité des opérations. Équivalent en anglais : return on experience, feedback. Roche couverture Voir « Aquiclude » Équivalent en anglais : caprock. Saumure Solution aqueuse renfermant du sel Équivalent en anglais : brine.


Seuils (valeurs seuils dans le cadre de la surveillance de la qualité des eaux souterraines) Valeurs de la qualité d’eau fournissant une information indiquant un début de dégradation significative de la qualité du milieu. Le dépassement des valeurs seuils doit être suivi de la mise en place d’actions particulières. Site de stockage Au sens réglementaire (Directive Européenne 2009/31 ; Code de l'Environnement, L229-34), « un site de stockage géologique de dioxyde de carbone est constitué d'un volume défini au sein d'une formation géologique, celle-ci s'entendant d'une division lithostratigraphique au sein de laquelle s'observent des couches de roche distinctes pouvant faire l'objet d'une cartographie ainsi que des installations de surface, d'injection et de surveillance qui y sont associées ». Parallèlement à l'emploi réglementaire, le terme « site de stockage » est aussi une expression du langage courant, qui restera utilisée dans un sens commun pour désigner la localisation du stockage ou également « site de séquestration de CO2 ». Équivalent en anglais : storage site.


LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Principaux éléments clés d’un site de stockage géologique de CO2, d’après (BOUC et al., 2012) . 16 Figure 2 : Exemple d’un réseau de suivi pour un site CSC (mw=monitoring well, puits de surveillance)

(Modifié d’après (BIRKHOLZER et al., 2009)) ............................................................................ 39 Figure 3 : Exemple de carte de contrôle .......................................................................................................... 49 Figure 4 : Proposition d’arbre décisionnel pour la mise en place de la surveillance des aquifères dans la zone

d’emprise du complexe de stockage géologique de CO2, avec S1 seuil d’alerte et S2 seuil de déclenchement ......................................................................................................................... 82

Figure 5 : Aperçu des préleveurs de fond utilisés : a) BRGM ; b) SOLEXPERTS ; c) HYDROINVEST. ................ 83 Figure 6 : schéma de principe d’un DGT. ......................................................................................................... 85 Figure 7 : Principe des mesures gazeuses en continu dans la zone non saturée, via un forage dédié (piézair)

.................................................................................................................................................. 91


LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Paramètres à analyser selon différents programmes de surveillance ......................................... 24 Tableau 2 : Etapes du cycle de vie d’un stockage de CO2, d’après (BOUC et al., 2012) .................................. 42 Tableau 3 : Inventaire des capteurs pouvant être installés en forage ............................................................ 45 Tableau 4 : Etapes de la vie d’un stockage géologique de CO2 et surveillance recommandée associée ........ 57 Tableau 5 : Préconisation des paramètres à suivre au sein des aquifères dans la zone d’emprise du

complexe de stockage géologique de CO2 ................................................................................ 79 Tableau 6 : Préconisation de la fréquence, durée de suivi et de la densité et localisation du suivi des

aquifères dans la zone d’emprise du complexe de stockage géologique de CO2 .................... 81 Tableau 7 : Recommandations spécifiques du projet CIPRES pour la surveillance de la zone saturée, en

fonction de la profondeur ciblée .............................................................................................. 87 Tableau 8 : Recommandations spécifiques du projet CIPRES pour la surveillance de la zone saturée .......... 88 Tableau 9 : Options proposées pour le suivi de gaz dans la zone non saturée et leurs caractéristiques. ...... 90


Partie I - INTRODUCTION - PREAMBULE


Ce rapport constitue le livrable 5.1.3 du projet CIPRES (programme ANR-SEED de l’appel à projet 2011) financé par l’ANR. Ce projet regroupe les partenaires suivants : BRGM, INERIS, IPGP, CNRS, Université d’Orléans (ISTO), Veolia Recherche et Innovation (VERI) et HYDRO INVEST. Dans un contexte d'augmentation continue des concentrations de CO2 dans l'atmosphère, trouver de nouveaux moyens pour réduire les émissions de CO2 devient urgent. L’utilisation du sous-sol pour stocker du CO2 est une des filières technologiques pour lutter contre le changement climatique. D’ailleurs la France s’est engagée dans cette voie pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre, notamment en transposant la Directive européenne relative au stockage géologique du CO2 (ou geological CO2 storage en anglais, GCS). Cette technologie est liée à des activités de forage et d’utilisation du sous-sol dont il faut maîtriser les impacts sur l’environnement et sur l’Homme. Par conséquent, les fournisseurs d'eau sont concernés par cette activité qui pourrait avoir des impacts sur les ressources en eaux souterraines et par conséquent sur l'eau potable. De nombreuses recommandations concernant les sites de stockage géologique de CO2 sont déjà disponibles (voir Partie III -II.1, p37) mais se focalisent sur le stockage en lui-même, et très peu de préconisations concernent les ressources en eau souterraine. Avec le développement des activités du sous-sol, les fournisseurs d’eau et les autorités souhaitent s’assurer que ces activités ne représentent pas un risque pour les ressources, notamment les eaux douces souterraines. C’est dans ce contexte que le projet CIPRES a été élaboré par le BRGM, l’INERIS, l’IPGP, l’ISTO, VERI et HydroInvest. Ce projet de 3 ans, financé par l’ANR, a commencé en 2012, il s’intéresse à la caractérisation des impacts potentiels d’une fuite* de CO2 sur la qualité des eaux souterraines. En effet, le contexte réglementaire impose la surveillance des futurs sites de stockage géologique et demande à ce qu’ils soient choisis de manière à garantir la protection de l’environnement. Ainsi, le projet CIPRES a un double objectif. Le premier consiste à caractériser les mécanismes géochimiques et biochimiques contrôlant la qualité de la ressource en eau souterraine notamment en cas d’intrusion accidentelle de CO2, tant au niveau des aquifères superficiels que des aquifères profonds encore mal connus. Le second objectif vise à valider une méthodologie de surveillance des aquifères à proximité des sites de stockage géologique de CO2. L’intégration des résultats des différents volets du projet, en s’appuyant également sur la littérature existante, permet de proposer des recommandations pour : (i) la prise en compte des impacts sur les eaux souterraines dans la caractérisation des futurs sites de stockage géologique, (ii) l’identification des mécanismes à considérer dans les études destinées à qualifier et quantifier ces impacts, et (iii) la mise en place des réseaux de surveillance des eaux souterraines. Après une introduction (partie 1) sur les objectifs de la surveillance des aquifères et un rappel des risques potentiels liés au stockage de CO2, ce rapport aborde les stratégies existantes de surveillance des aquifères, en dehors d’un contexte de stockage géologique de CO2 (partie 2). La partie 3 se focalise ensuite sur les stratégies de surveillance dans le cadre spécifique du stockage géologique de CO2. La partie 4 propose des recommandations issues de la littérature et de l’expérience acquise au cours du projet CIPRES en termes de surveillance des aquifères.

I. OBJECTIFS DE LA SURVEILLANCE DES AQUIFERES

La fourniture de l'eau potable exige des mesures qui doivent être prises tout au long du cycle de l'eau : du bassin versant au point de consommation. Cette protection de la ressource en eau est la


première étape dans la production d'eau potable (OMS, 2004). L’OMS (OMS, 2006) a d’ailleurs proposé un système de gestion (plan de gestion de la sécurité sanitaire de l’eau (PGSSE) ou Water Safety Plan (WSP)) qui est couramment utilisé pour fournir de l'eau potable de bonne qualité. L'établissement d'un PGSSE est généralement de la responsabilité du fournisseur d'eau, avec le soutien et la collaboration d'autres acteurs, comme les partenaires commerciaux, l’administration ou les autorités publiques. Dans le cadre de ce rapport, l’approche PGSSE est appliquée uniquement aux eaux souterraines et n’inclut pas l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement en eau. Dans une approche PGSSE, les contaminations potentielles (risques) et les mesures qui peuvent être mises en place pour prévenir, réduire ou éliminer les contaminants (mesures de contrôle) doivent être identifiées. En outre, un système de surveillance et des mesures correctives pour s'assurer qu’une eau de bonne qualité est toujours fournie doivent être mis en œuvre et les méthodes employées pour contrôler les risques doivent être validées. En général, la connaissance des aquifères peu profonds (c’est-à-dire jusqu’à une centaine de mètres de profondeurs) est bonne. En cas de prélèvement d'eau pour l'approvisionnement public en eau, les normes d'exploration et de surveillance sont bien définies et les conditions hydrogéologiques ainsi que les impacts anthropiques potentiels sont connus. Les informations sur les systèmes géologiques profonds sont comparativement moins bien connues : elles sont rares et souvent obtenues avec des pas de temps espacés. Les modèles conceptuels et la modélisation de scénarios peuvent permettre de mieux comprendre la configuration et les caractéristiques de ces systèmes profonds, mais ils dépendent de la fiabilité des données d'entrée, notamment des connaissances géologiques.

De nombreux guides sur le suivi des sites de stockage géologique de CO2 sont disponibles (cf. Partie III -II.1, p37), cependant ils se focalisent sur le suivi du CO2, et non sur le suivi spécifique de l’état des autres compartiments du sous-sol potentiellement impactés par le CO2. Ainsi les recommandations, dans le contexte du stockage géologique de CO2, sur les paramètres à suivre pour surveiller l’évolution de la qualité des aquifères sont quasi-inexistantes dans ces guides, ou alors elles se limitent à des généralités (en précisant seulement « suivi de la qualité des eaux et de la teneur en CO2 dans les aquifères vulnérables* », voire éventuellement également dans l’aquifère de contrôle* (BOUC et al., 2012)). Les stratégies existantes de surveillance des eaux souterraines, ainsi que les pratiques de surveillance disponibles pour le stockage géologique du CO2 servent de base à une évaluation des mesures à prendre. Les informations et les données utilisées pour identifier les meilleures pratiques sont fondées sur les résultats de projets de recherche publiés dans des revues à comité de lecture et des rapports scientifiques, la réglementation et des documents ou des lignes directrices d'institutions privées ou publiques impliquées dans le développement et l'évaluation des activités du sous-sol. Le présent rapport résume les stratégies de surveillance et les méthodes déjà existantes et propose des recommandations sur la surveillance à appliquer aux aquifères.

II. RISQUES POTENTIELS LIES AU STOCKAGE DE CO2

II.1. CONTEXTE GENERAL

Afin de mieux comprendre le contexte d’un stockage géologique de CO2, les principaux éléments clés d’un site de stockage* sont rappelés dans la Figure 1, d’après (BOUC et al., 2012). Ainsi, le schéma fondamental ci-dessous (forcément plus simpliste que ce qui peut exister en réalité) propose un exemple de réservoir, où sera injecté le CO2 via un puits injecteur, surmonté d’une


couche de couverture. Ce schéma permet de visualiser une position possible des puits de surveillance* latéraux, ainsi que des puits de contrôle* crépinés dans l’aquifère directement au-dessus de la couche réservoir (en-dessous de tout aquifère exploitable), appelé aussi aquifère de contrôle*.

Figure 1 : Principaux éléments clés d’un site de stockage géologique de CO2, d’après (BOUC et al., 2012)

Alors que les mécanismes susceptibles d’être influencés dans le sous-sol par la mise en place d’un site géologique de stockage sont relativement bien identifiés, les niveaux d’impacts en cas d’irrégularité ne peuvent pas être définis précisément car ils dépendent des contextes géologiques, hydrogéologiques, mécaniques et géochimiques de chacun des futurs sites – et correspondent par essence à des situations hypothétiques. Les impacts potentiels à évaluer relèvent principalement de la conséquence de :

a. la propagation de la pression induite dans le réservoir par l’injection de CO2. Une hausse de pression peut induire des modifications des écoulements au sein de la formation de stockage ou au sein des aquitards* (drainance verticale). Le niveau d’impact est néanmoins dépendant de la pression induite et des propriétés géologiques et hydrogéologiques du complexe de stockage*. Ainsi la surveillance et la maîtrise de cette pression au sein du réservoir doivent permettre de garantir l’absence d’impact dans les aquifères cibles.


b. la migration de fluides (saumures*) vers les aquifères sus-jacents en lien avec des modifications de pression ou des fuites. La migration de fluides jusqu’à des aquifères d’eau douce pourrait entraîner l’altération de la qualité de la ressource en eau souterraine dans le cas où des substances toxiques ou indésirables seraient mobilisées par ces fluides. Selon la nature des fluides, les zones de fuite* et les débits, les impacts peuvent être très locaux ou diffus. L’impact sur la qualité de l’eau sera dépendant des systèmes biogéochimiques et de la composition des aquifères affectés.

c. la fuite accidentelle de CO2 au sein d’un aquifère d’eau douce. La dissolution du CO2 dans les eaux souterraines peut, selon les quantités introduites, modifier les équilibres physico-chimiques avec le risque de dégrader la qualité des eaux si des contaminants présents naturellement dans les roches réservoirs sont relargués en quantités significatives.

Ainsi, l’établissement d’un site de stockage* nécessitera la mise en place de réseaux de surveillance adaptés pour détecter au plus tôt toute défaillance et éviter tout impact sur l’environnement et les populations. Ce réseau de surveillance doit être installé avant le début de l’injection afin d’acquérir des lignes de base qui permettent d’évaluer les variabilités spatiales et temporelles des paramètres suivis. L’acquisition de cette ligne de base* est nécessaire afin de détecter et de corriger toute anomalie lors du suivi du site pendant la phase d’injection puis de fermeture du site. Il conviendra de définir correctement les formations et aquifères à surveiller en vue de protéger ces ressources dès le début des opérations. Ces protocoles de surveillance, ainsi que les mesures envisagées pour corriger toute évolution anormale détectée, doivent être exposés par l’exploitant dans ses demandes de permis d’exploration et d’exploitation. Il conviendra donc aux pouvoirs publics de vérifier, et le cas échéant d’approuver, les plans de surveillance et de mesures correctives proposés en veillant à couvrir l’ensemble des ressources susceptibles d’être impactées d’une manière ou d’une autre par une défaillance du site de stockage géologique.

II.2. CAS DE LA QUALITE DES EAUX SOUTERRAINES

Le paragraphe ci-dessous présente une synthèse issue du livrable L1.3 (LIONS et al., 2015a) du projet CIPRES décrivant, à partir d’un état de l’art complet, les impacts potentiels sur les ressources en eau. L’état de l’art réalisé (Lions et al. 2015a ; (LIONS et al., 2014)) montre la diversité des changements qui peuvent survenir au sein des aquifères de subsurface impactés par une fuite* de CO2 ou de saumure*. En effet, une telle fuite* peut, d’une part, modifier directement les propriétés chimiques des eaux douces (ex. pH, potentiel d’oxydoréduction, salinité) et d’autre part, induire une évolution indirecte des processus biogéochimiques régulant la mobilité des éléments chimiques au sein de l’aquifère en raison de la modification des propriétés chimiques de la phase aqueuse. Malgré cette multiplicité d’effets, les travaux montrent que les principales évolutions possibles au sein d’un tel système eau-roche-CO2 sont : - une diminution du pH des eaux douces souterraines, ayant un pH initial neutre ou alcalin, consécutive à l’augmentation de la concentration en acide carbonique. Cet effet est néanmoins contrebalancé par le pouvoir tampon principalement des minéraux carbonatés présents dans la roche réservoir ;


- une augmentation de la salinité des eaux douces en cas de remontée de saumure* provenant des aquifères salins profonds sous-jacents. Cet impact sera plus ou moins marqué selon la composition de la saumure* et le débit de la fuite* ; - une variation du potentiel d’oxydoréduction soit lors de l’intrusion de fluides profonds selon la nature et la proportion de substances associées et du débit de fuite*, soit en raison des variations du niveau piézométrique des nappes libres (induites par la modification de la pression hydrostatique causée directement par le stockage géologique du CO2 ou par une fuite*) et qui peuvent modifier les conditions d’oxygénation de la nappe. Cet effet est néanmoins peu probable du fait des impacts piézométriques limités dans les aquifères sus-jacents au stockage ; - une augmentation possible de la concentration en composés organiques dissous lors du mélange des eaux douces avec des eaux profondes riches en tels composés. L’enrichissement des saumures profondes en composés organiques dissous est lié au fait que le CO2 supercritique injecté dans les aquifères salins profonds peut solubiliser les composés organiques présents dans ces roches réservoirs. Ceci est plus particulièrement attendu dans des contextes de stockage en réservoirs d’hydrocarbures déplétés ou en veine de charbon ; - une amplification des réactions de dissolution des minéraux, principalement les minéraux carbonatés dans les aquifères carbonatés ainsi que des oxydes et des feldspaths potassiques dans les aquifères silicatés en raison de la diminution du pH, ce qui aboutit à une augmentation de la concentration en Ca, HCO3

-, Si, K et/ou Al dans les eaux. Il est important de noter que la dissolution des minéraux carbonatés dans les aquifères majoritairement carbonatés implique une augmentation de l’alcalinité ; - une augmentation de la concentration en cations, notamment en éléments traces métalliques dans la phase aqueuse en raison de la dissolution de minéraux présents dans la roche réservoir ou des réactions de désorption de ces éléments qui sont favorisées par l’abaissement du pH susceptible de résulter d’une fuite* de CO2 ; - une diminution de la concentration en anions et en métalloïdes en solution, car les réactions d’adsorption de ces éléments chimiques sont favorisées par l’abaissement du pH pouvant survenir dans ces conditions ; - une diminution ou une inhibition de l’activité bactérienne qui reflètera une toxicité du CO2 pour les microorganismes des eaux souterraines non adaptés à une intrusion soudaine de CO2 ; - une modification de l’équilibre entre les différents métabolismes bactériens des eaux souterraines par l’arrivée d’un facteur exogène tel que le CO2, ainsi que par la modification des conditions physico-chimiques détaillées ci-dessus, en permettant la surexpression de certains métabolismes par rapport à d’autres. Ainsi, la présence de CO2 dans ces eaux permettrait l’expression de métabolismes autotrophes d’assimilation du CO2.


Partie II - SUIVI REGLEMENTAIRE SANITAIRE DES

AQUIFERES


I. ÉTAT DE L'ART DES SUIVIS DE LA QUALITE DES AQUIFERES

À une échelle locale, les objectifs de surveillance des eaux souterraines peuvent souvent être différenciés entre des objectifs environnementaux et sanitaires. Au niveau international ou européen les deux approches sont combinées visant à une approche générale de la réglementation de protection des eaux souterraines. La directive cadre sur l'eau (DCE) (Union Européenne, 2000) et d'autres programmes de surveillance établis par diverses institutions (US EPA2, DVGW3, IGRAC4…), définissent des approches et des lignes directrices pour construire et exécuter des réseaux de surveillance efficaces des ressources en eau souterraine. Dans ce chapitre, l'état de l'art sur les pratiques pour la surveillance des ressources souterraines pour l’alimentation en eau potable (AEP) est présenté à travers l’exemple de quelques règlements et des programmes d'orientation, considérés comme les plus pertinents. Ces bonnes pratiques serviront de base pour les recommandations finales de ce guide (Partie IV - p 53).

I.1. REGLEMENTATION

Une approche intégrée de la gestion de l'eau qui s’écoule au travers du bassin versant, des lacs, des rivières et des eaux souterraines jusque dans les estuaires et la mer, est définie par la DCE (Union Européenne, 2000) dans le but de protéger et d'améliorer l'état des masses d'eau, pour les utiliser de manière durable et réduire leurs risques de pollution. Des exigences plus détaillées pour la protection des eaux souterraines sont données dans la directive-fille sur les eaux souterraines (GWD) (Union Européenne, 2006), elle-même retranscrite dans le droit français à travers plusieurs arrêtés et circulaires, dont la circulaire du 23/10/2012 (Ministère de l'écologie, 2012;Union Européenne, 2006)). Elle comprend des règlements pour évaluer l'état chimique des eaux souterraines, identifier les tendances significatives de la hausse des niveaux de pollution des eaux souterraines, et définir des mesures pour inverser ces tendances. Des programmes de surveillance des eaux souterraines sont d’ailleurs définis dans l'annexe V (partie 2) de la DCE (Union Européenne, 2000), comprenant :

a. un réseau de surveillance pour l’état quantitatif5 : Le suivi quantitatif est effectué principalement pour déterminer l'état quantitatif des masses d'eau souterraine en évaluant le rapport entre les réserves et les quantités prélevées.

b. un réseau de contrôle de surveillance : Le contrôle de surveillance est nécessaire pour valider l’évaluation de l’état des masses d’eau, l'évaluation des risques, classer les masses d'eau souterraine et évaluer les tendances. Ainsi, le contrôle de surveillance est opéré à des fins principalement environnementales et fournit une base pour l'évaluation des conditions de la ligne base* (cf Partie II -I.4, p26). La directive eaux souterraines (Union Européenne, 2006) précise d’ailleurs que le choix des sites de contrôle des eaux souterraines doit satisfaire aux exigences de la DCE afin de garantir une image cohérente et globale des données de l’état chimique des eaux souterraines et de fournir des données de

2 United States Environmental Protection Agency (Agence de Protection Environnementale Américaine)

3 Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (Association Allemande Technique et Scientifique pour le Gaz et

l’Eau) 4 International Groundwater Resources Assessment Centre (Centre International d’Evaluation des Ressources en Eau

Souterraines) : Centre sur les eaux souterraines créé à l’initiative de l’UNESCO et de l’OMS, hébergé aux Pays-Bas. L’IGRAC développe entre autre un guide de suivi des eaux souterraines pour les pays aux ressources financières limitées 5 Le suivi quantitatif est considéré comme de moindre importance, dans le cadre du projet CIPRES, pour la surveillance

et la protection des aquifères à l'égard du stockage géologique de CO2 et n'est donc pas développé ici.


contrôle représentatives. La directive eaux souterraines exige que les études des tendances de pollution soient menées à l’aide de données existantes et de données de surveillance rendues obligatoires par la DCE (en s’appuyant sur les données de la « valeur initiale de l’identification » obtenues en 2007-2008). Le Centre International d'Evaluation des Ressources des Eaux Souterraines (IGRAC, 2006) conseille de réaliser la première caractérisation de la qualité des eaux souterraines d’une région dans des puits déjà existants, dans des sources ou des cours d’eau de la zone d’étude. La sélection des puits choisis doit, idéalement, être répartie sur l’ensemble de la zone. La DCE précise que le contrôle de surveillance doit être mis en œuvre durant chaque cycle de plan de gestion des réseaux hydrographiques (tous les 6 ans). Le cycle d’actualisation du programme de surveillance est en premier lieu lié à celui du plan de gestion (SDAGE), qui est de six ans (QUIOT, 2009b). D’après un guide relatif à ces contrôles de surveillance (Union Européenne, 2007), si nécessaire, l’évolution des réseaux peut et doit être menée sans attendre l’actualisation du plan de gestion tous les six ans (en termes de fréquence de suivi notamment). Tout programme de contrôle de surveillance débute avec le plan de gestion et lorsque le risque de pollution d’une masse d’eau est mis en évidence, un programme de contrôle opérationnel débute et perdure jusqu’à la fin de ce plan de gestion (QUIOT, 2009b). Les détails de ce plan de gestion sont listés dans l’article 13 et l’annexe VII de la DCE (Union Européenne, 2000) Habituellement, les paramètres surveillés pendant le contrôle de surveillance le sont également lors du contrôle opérationnel. L'arrêt du programme de surveillance n'est pas évoqué sachant que la DCE a également une vocation prospective et que le bon état une fois acquis devra être conservé : le contrôle sera à maintenir (tout au moins en partie) (Union Européenne, 2007).

c. un réseau de contrôles opérationnels : Les réseaux de surveillance opérationnelle sont spécifiquement conçus pour l'observation et la détection de certains événements dangereux ou dangers et pour servir de base à la définition de mesures préventives ou correctives. Les contrôles opérationnels (s’adressant aux masses d’eau à risque) doivent être réalisés durant les périodes qui ne sont pas couvertes par le contrôle de surveillance. Selon la DCE, le suivi opérationnel est nécessaire pour établir l'état chimique de toutes les masses d'eau souterraine ou groupes de masses d’eau déterminées comme étant à risque de ne pas satisfaire les critères de la DCE, pour identifier, sur le long terme, la présence de toute tendance anthropique à la hausse de la concentration de polluant et pour évaluer l'efficacité des efforts de correction. Conformément à la DCE et sa directive-fille, le programme de surveillance doit être conçu de manière à ce que les tendances à la hausse, significatives et durables des concentrations de polluants identifiés puissent être décelées. Concernant le suivi de la qualité des eaux souterraines, l’IGRAC recommande une surveillance régulière au sein des masses d’eau souterraine régionales, notamment si des changements graduels dans la situation de la qualité des eaux souterraines ne peuvent pas être exclus. Pour l'observation régulière et fiable, il est utile de créer un réseau de surveillance «primaire» consistant en des puits soigneusement sélectionnés et quelques puits d'observation nouvellement construits, si les puits existants ne sont pas disponibles. La sélection des puits existants devrait être fondée sur des critères concernant leurs caractéristiques techniques ainsi que leur accessibilité, droits de propriété, etc.


Un programme de surveillance permanente conduira à des données historiques qui seront essentielles pour une gestion future de l'eau. L'échantillonnage des eaux souterraines pour le suivi de leur qualité peut souvent être mené dans les mêmes puits que ceux utilisés pour les mesures de niveau des eaux souterraines. Toutefois, les caractéristiques des puits, telles que la longueur des crépines, leur profondeur, doivent être prises en compte lors de l'interprétation des résultats.

I.2. RESEAUX DE CONTROLE ET PARAMETRES DE SUIVI

Les points d'échantillonnage et la sélection des paramètres ont une importance majeure dans les deux types de contrôles préconisés par la DCE (surveillance et opérationnel), car les contaminants sont souvent distribués de manière inégale dans une masse d'eau souterraine. Ils doivent donner un aperçu de la qualité de l'eau dans la masse d’eau et doivent représenter la distribution des contaminants. Selon la DCE, le processus de sélection devrait donc couvrir les étapes suivantes (Union Européenne, 2007) : i. Mise en place d'un modèle conceptuel (caractéristiques hydrogéologiques / hydrochimiques / hydrologiques et différents types d'utilisation des sols). ii. Evaluation des risques (y compris le niveau de confiance). iii. Évaluation des caractéristiques pratiques des points de prélèvement (accès, pérennité, ...).

I.2.1. Réseaux de surveillance et fréquence des mesures

Préambule : En terme de densité et d’emplacement des réseaux et de fréquence et de durée des mesures, les recommandations existantes au niveau du suivi sanitaire des eaux souterraines (Union Européenne, 2007) s’appliqueront difficilement au contexte du stockage géologique du CO2. En effet, le CO2 étant stocké en-dessous des aquifères à protéger, les notions de profondeur, ou de captivité de nappe sont moins pertinentes, dans le cas d’un risque de fuite* ascendante de CO2, que dans le cas d’une pollution descendante depuis la surface. Il y a donc peu d’information directement exploitable dans la littérature. Néanmoins certains éléments sont à souligner et notamment les préconisations concernant la mise en place du réseau de contrôle opérationnel (MINISTÈRE DE L'ÉCOLOGIE, 2015). Réseaux :

o Pour une observation régulière et fiable, il est utile d’avoir un réseau de surveillance «primaire» constitué de puits soigneusement sélectionnés et/ou de puits d'observation nouvellement construits, si les puits existants ne sont pas disponibles (IGRAC, 2006).

o Selon les aléas menaçant les ressources en eau, un réseau d’alerte précoce peut être nécessaire. Il est généralement situé à un niveau local et a une densité plus élevée que celle des réseaux de base/de référence. Les fréquences d’échantillonnage et d’observation sont elles aussi souvent assez élevées. Un réseau d’alerte précoce doit permettre, à partir d’informations collectées relatives à l’éventualité et à l’endroit d’une source de pollution accidentelle, de prévenir une pollution pouvant affecter particulièrement l’alimentation en eau potable. Pour cela, des niveaux critiques sur plusieurs paramètres peuvent être fixés, l’alerte étant déclenchée lorsque ces niveaux sont atteints ou dépassés (Observatoire du Sahara et du Sahel, 2011).

o La profondeur des aquifères à surveiller peut être un facteur différenciant, notamment dans le choix des technologies qui sont plus ou moins adaptées ou performantes selon


les profondeurs. Par expérience, on propose de distinguer les profondeurs suivantes6 : 1) inférieures à 20 m ; 2) entre 20 et 100 m ; 3) supérieures à 100 m.

Fréquence d’échantillonnage pour de la surveillance : o Elle est fonction de la vitesse de changement attendue de la qualité de l’eau, dans une

gamme allant au minimum d’une mesure tous les 5 à 10 ans pour des paramètres dont la qualité est supposée très stable, à une mesure mensuelle pour les paramètres et les masses d’eau à risques (IGRAC, 2006;Union Européenne, 2007).

La fréquence de surveillance doit généralement être choisie sur la base des connaissances sur le fonctionnement hydrogéochimique (modèle conceptuel) et des pressions et à partir des données de surveillance des eaux souterraines existantes. Une connaissance adéquate du système aquifère et un programme de surveillance à long terme déjà établi, permettent de déterminer une fréquence appropriée pour le contrôle de surveillance. Les substances sont à surveiller en respectant la LQ en vigueur des laboratoires effectuant des analyses dans le domaine de l'eau et des milieux. Ceci vise à garantir des LQ suffisamment basses pour assurer un suivi de qualité. Dans le cadre du contrôle de surveillance dit régulier, la fréquence préconisée est un suivi réalisé tous les ans, il comprend a minima un prélèvement annuel pour les nappes captives, et deux prélèvements dans l’année pour les nappes libres avec un prélèvement en période de hautes eaux et un prélèvement en période de basses eaux. Pour le contrôle opérationnel, les fréquences minimales sont les suivantes : a) Une fois par an, pour les masses d’eau sédimentaires avec un caractère captif ; b) Quatre à douze fois par an, pour les masses d’eau sédimentaires à caractère karstique présentant une grande variabilité ; c) Au moins deux fois par an dans les autres cas, avec un contrôle en période de basses eaux et un en période de hautes eaux. Dans les roches karstiques ou fissurées, l'évaluation des flux et des écoulements dans le temps et l'espace est compliquée par le fait que le débit est préférentiellement orienté le long de certaines failles et des fissures ou des cavités karstiques. En outre, les vitesses d'écoulement efficaces sont en général très élevées dans ces systèmes. Si le temps d'alerte précoce requis ne peut être fourni, un intervalle d'échantillonnage plus rapproché ou une mesure en continu de la qualité de l'eau est nécessaire.

I.2.2. Surveillance des paramètres

Pour la sélection des paramètres, les directives européennes, de l’IGRAC et la réglementation française sur les eaux brutes fournissent des lignes directrices. La DCE indique que les valeurs de surveillance des masses d’eau utilisées pour démontrer le respect du bon état chimique des eaux souterraines doivent être les valeurs moyennes des résultats de la surveillance à chaque point de la masse ou du groupe de masses d'eau souterraine. Le Tableau 1 présente une vue d'ensemble des paramètres qui doivent être analysés en fonction des programmes de contrôle de surveillance évoqués ci-dessus :

6 Cette différenciation est proposée d’après les techniques de forage disponibles et applicables. Selon les objectifs

visés et les équipements utilisés, la limite à 20 m sera plus ou moins pertinente.


Tableau 1 : Paramètres à analyser selon différents programmes de surveillance

Paramètres Paramètres Arrêté du 7

août 2015

Arrêté du

11/01/20077

(eaux brutes)

IGRAC

(2006)8

sur-site / paramètres

terrain

Oxygène dissous

pH

Conductivité électrique

Température

Turbidité

Potentiel redox

Taux de saturation en O2

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

Ions principaux

Ammonium

Bicarbonates

Carbonates

Calcium

Chlorures

Fluorures

Magnésium

Nitrates

Nitrites

Ortho-Phosphate

Phosphore total

Potassium

Silicates (SiO2)

Sodium

Sulfates

X

X

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

X

x

x

x

x

X

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

Paramètres globaux Carbone organique X X

Métaux Fer

Manganèse

X

x

x

x

Micropolluants9 x x

Métaux/Métalloïdes

Aluminium

Antimoine

Arsenic

Baryum

Bore

Cadmium

Chrome

Cuivre

Mercure

Nickel

Plomb

Sélénium

Zinc

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

xx

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

7 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine

8 Pour déterminer une contamination, des analyses supplémentaires sont recommandées, en fonction du contexte

hydrogéologique 9 On entend par "micropolluants", les substances (Triazines, PFC, Organochlorés, COHV, Phtalates, autres organiques)

définies par l’arrêté du 7 août 2015.


I.3. MISE EN PLACE DU SUIVI OPERATIONNEL PAR LES FOURNISSEURS D’EAU POTABLE

Pour la protection des ressources d'eau potable, les fournisseurs d'eau doivent mettre en œuvre un suivi opérationnel basé sur l'installation et l'exploitation d'un réseau de surveillance dans les zones de protection des eaux souterraines. Ce suivi est mené pour signaler à l'avance l'arrivée d'une eau polluée à un captage pour l’AEP et pour prendre des dispositions pour le traitement ou d’autres mesures d'atténuation. Ce suivi est donc lié à l'impact attendu. Les aquifères qui ne sont pas suffisamment protégés (comme par exemple les aquifères libres et / ou karstiques) font l’objet d’un suivi plus soutenu. Les déclencheurs d'un plan d'action peuvent être des tendances d'indicateurs (par exemple pour les nitrates, sulfates) ou la détection de contaminants (tels que les pesticides, les hydrocarbures halogénés volatils…). Toute présence de contaminants ou changement dans les tendances des indicateurs choisis se traduira par une modification du régime d'exploitation pour prévenir les effets indésirables sur la qualité de l'eau potable.

I.3.1. Délimitation des zones de protection des eaux souterraines

La mise en place des périmètres de protection des captages (PPC) a pour objectif est d’éviter toute pollution ponctuelle, accidentelle. Le PPC est obligatoire au niveau de chaque captage destiné à l’alimentation en eau potable. La délimitation d’une zone de protection des eaux souterraines est basée sur la distance, le rabattement, le temps de séjour, la capacité d'assimilation et les conditions aux limites (flux) (OMS, 2006). Trois périmètres définissent différents niveaux de protection : - La zone immédiate, ou Périmètre de Protection Immédiate en France10, site de captage clôturé (sauf dérogation). Toutes les activités y sont interdites hormis celles relatives à l’exploitation et à l’entretien de l’ouvrage de prélèvement de l’eau et au périmètre lui-même. Son objectif est d’empêcher la détérioration des ouvrages et d’éviter le déversement de substances polluantes à proximité immédiate du captage. - La zone de protection intérieure, ou Périmètre de Protection Rapprochée en France, sur la base du temps qui devrait être nécessaire pour une réduction de la présence de micro-organismes pathogènes (typiquement 30 à 50 jours), secteur plus vaste (en général quelques hectares) au sein duquel toute activité susceptible de provoquer une pollution est interdite ou est soumise à prescription particulière (construction, dépôts, rejets…). Son objectif est de prévenir la migration des polluants vers l’ouvrage de captage (à l’exception notable des pollutions diffuses). - La zone de protection extérieure, ou Périmètre de Protection Eloignée en France, sur la base du temps prévu pour la dilution et l'atténuation effective des substances à dégradation lente. Facultatif, ce périmètre est créé si certaines activités sont susceptibles d’être à l’origine de pollutions importantes en amont, ou simplement pour informer de l’existence d’un captage d’eau potable en aval. Ce secteur correspond généralement à la zone d’alimentation du point de captage, voire à l’ensemble du bassin versant. Dans ces zones de protection, les distributeurs d'eau et les agences environnementales locales sont responsables de la surveillance. Les puits de surveillance* d'alerte précoce visent à détecter les dangers en amont des captages utilisés pour l’AEP. La distance entre les ouvrages de production et de surveillance doit fournir suffisamment de temps entre l'observation de la dégradation de la qualité des eaux souterraines et la production de l'eau brute pour permettre une prise de décision immédiate sur la poursuite du processus de captage et de traitement de l'eau. 10

http://www.eaufrance.fr/agir-et-participer/prevenir-les-risques/protection-des-captages, consulté le 06/06/2015


I.3.2. La conception du réseau de surveillance, paramètres clés et fréquences de contrôle

Les réseaux de surveillance incluent généralement des puits conçus et construits (i) pour le suivi des contaminations existantes, (ii) pour le suivi des effets de rabattement et (iii) pour l'alerte précoce. La distance entre le puits de suivi et le puits de production est influencée par le niveau de l'alerte précoce, l'intervalle d'échantillonnage et la vitesse d'écoulement efficace ainsi que par les conditions aux limites techniques et opérationnelles. Le temps d'alerte précoce peut être d'au moins un an. Les points de surveillance peuvent être installés à la profondeur des écoulements exploitée par le puits de production. De plus, les couches perméables doivent être favorisées pour l’implantation des crépines. La liste des paramètres à surveiller devrait comprendre, en plus des paramètres de contrôle de surveillance, les paramètres spécifiques choisis pour le bassin versant et basés sur les risques potentiels pour l'approvisionnement en eau potable.

I.3.3. Evolution du réseau de surveillance

Concernant l’évolution des réseaux de surveillance des eaux souterraines, les Etats-Unis ont proposé 6 étapes pour l’optimisation d’une surveillance à long terme (US EPA, 2005) : - clairement définir et présenter le programme de surveillance en cours ; - examiner les données existantes ; - déterminer le type d’évaluation ; - sélectionner la méthode et les outils ; - mettre en œuvre la démarche d’optimisation retenue ; - évaluer les résultats et intégrer des recommandations notamment concernant la réévaluation de cette optimisation (2 à 5 ans). Il existe de nombreuses méthodes pour mener à bien cette démarche et divers guides, documents, outils avec des approches qualitatives, temporelles, statistiques existent et ont été appliqués avec succès sur certains sites (US EPA, 2005).

I.4. RECOMMANDATION DE REALISATION D’UNE LIGNE DE BASE

I.4.1. Définition

Les termes anglo-saxons background (bruit de fond), threshold (seuil) et baseline (ligne de base*) sont fréquemment utilisés dans diverses disciplines en référence à des valeurs destinées à classifier la qualité des eaux souterraines (différentes selon les usages (QUEVAUVILLER, 2011)), et afin d’identifier des concentrations anormales de substances en comparaison avec des niveaux de concentrations de référence (ou « naturels »). La définition suivante de baseline (que nous traduirons ici par ligne de base) a été proposée par (EDMUNDS and SHAND, 2008) : « intervalle de concentration d’un élément, isotope ou composé chimique donné, en solution, dérivé entièrement de sources naturelle, géologique, biologique ou atmosphérique, sous des conditions non perturbées par l’activité anthropique ».

I.4.2. Conception de réseaux de suivi de qualité pour la ligne de base d’un aquifère

(CONDESSO DE MELO et al., 2008) proposent les étapes suivantes pour la conception d’un réseau de surveillance afin de d’acquérir la ligne de base* :

a. Étude détaillée de l’hydrogéologie régionale b. Construction d’un modèle conceptuel réaliste du système des eaux souterraines c. Sélection et mise en place des sites d’échantillonnage


d. Définition des variables et des traceurs à suivre (le choix des paramètres sera fortement dépendant de la lithologie de l’aquifère et de ses caractéristiques géologiques)

e. Vérification des protocoles analytiques du laboratoire et des limites de détection f. Choix des protocoles d’échantillonnage et de conservation des échantillons en accord avec

le laboratoire g. Définition de la fréquence d’échantillonnage h. Choix des analyses de données et des interprétations à réaliser afin d’être réactif dès le

début du suivi i. Vérification régulière de la validité du modèle conceptuel

Ces mêmes auteurs recommandent d’ailleurs, pour comprendre les caractéristiques de la ligne de base* de l’eau souterraine, de tout d’abord définir les constituants de l’eau (éléments/espèces chimiques, isotopes ou gaz) qui peuvent servir de traceurs (inertes ou réactifs). Les traceurs inertes incluent les espèces chimiquement non réactives telles que les chlorures et plusieurs signatures isotopiques telles que δ18O, qui restent de composition stable sur des périodes de temps courtes, ou pour lesquels un changement majeur dans la composition indique une nouvelle source d’apport. Les traceurs réactifs incluent le pH et des cations communs issus du lessivage et des réactions prenant place le long des lignes de courant. Il est conseillé d’adopter une approche multi-traceurs afin de mieux comprendre l’évolution de la masse d’eau et pour caractériser les propriétés de sa ligne de base*.

I.4.3. Recommandations pour l’acquisition des données

Un guide (AQUAREF, 2011) décrit les préconisations à suivre pour la préparation des campagnes d’échantillonnage des eaux (en terme d’organisation des campagnes, de flaconnage, de matériel d’échantillonnage), les mesures physico-chimiques et hydrologiques de terrain (mesures à réaliser, appareillage), l’échantillonnage, le conditionnement et le transport des échantillons. Les recommandations suivantes sont plus particulièrement à souligner :

- le prélèvement sera réalisé invariablement au même lieu et dans les mêmes conditions d’échantillonnage (profondeur, débit, volume de purge…).

- Les flacons, les réactifs, le matériel nécessaires au conditionnement et les systèmes de filtration sur site11 (seringues, filtres, autres) devront être mis à la disposition des préleveurs par le laboratoire d’analyses. Le laboratoire est responsable des consignes de conditionnement des échantillons et notamment des éventuelles consignes de rinçage des flacons.

- Afin d’éviter la contamination d’un échantillon par les éventuels polluants d’un échantillonnage antérieur (contamination croisée), le matériel d’échantillonnage (pompe, préleveur, voire tuyaux) devra être soigneusement rincé/nettoyé entre chaque mesure ou échantillonnage dans des forages différents. Il peut aussi être conseillé de réaliser les prélèvements ou mesures du point le moins contaminé, jusqu’au point le plus contaminé.

- La mesure des paramètres physico-chimiques (température de l’eau, pH, conductivité électrique à 25°C, potentiel d’oxydoréduction, teneur en oxygène dissous) servira à déterminer la fin de purge12 et donc le début de la phase d’échantillonnage (par stabilisation de la T°, du pH et de la conductivité électrique). Les mesures se feront par immersion des sondes dans le fluide (avec ou sans alimentation continue, l’alimentation en continue étant à privilégier). Afin de limiter les perturbations sur les mesures des

11

Il est recommandé de filtrer sur site uniquement si le personnel a été formé. 12

L’autre critère est la purge de 3 fois le volume de la colonne d’eau présente dans l’ouvrage.


paramètres, il est préconisé que l’écoulement se fasse de façon non turbulente et en évitant tout contact avec l’atmosphère (notamment pour les paramètres oxygène dissous et potentiel redox) (dans le cas d’une alimentation continue).

- La mesure du niveau piézométrique sera systématiquement réalisée avant pompage et effectuée le plus précisément possible (± 1 cm) par rapport à un même point de référence. Ce niveau devra aussi être suivi durant le pompage pour s’assurer d’un rabattement constant, et qu’ainsi les conditions sont reproductibles d’une campagne à l’autre.

- En cas d’analyse des métaux dissous, la filtration à 0,45 μm est obligatoire avant l’analyse de ces paramètres. Elle devra être réalisée sur site, ce qui nécessite que le personnel ait suivi une formation adéquate. Le filtrat obtenu devra être stabilisé à l'acide de qualité adapté à la limite de quantification (LQ) visée (généralement l’acidification se fait avec de l’acide nitrique HNO3 concentré (pour éviter de diluer l’échantillon) et à haut degré de pureté). Une fois acidifié, le transport de l’échantillon peut éventuellement être réalisé à température ambiante. Si la filtration ne peut pas être réalisée sur site, l'échantillon sera transporté en glacière à 5 ± 3°C et filtré dès que possible au laboratoire. Pour minimiser les erreurs, il est préconisé de transporter tous les échantillons sous température contrôlée et à l’abri de la lumière.

I.4.4. Quantification de la ligne de base

(EDMUNDS and SHAND, 2008) proposent la médiane comme définition de la concentration de la ligne de base* opérationnelle, ce qui permet la comparaison entre différents jeux de données. L’intervalle de la ligne de base* est quant à lui définit de 2,3% à 97,7% de la population des données, 95,4% de la population étant dans cet intervalle (Carroll et al., 2014a). Une représentation graphique sous forme de boîtes à moustache (box plot) est conseillée pour chaque élément ou espèce. Les boîtes doivent être dans un intervalle de 16-84% de la population des données (68% de la population étant dans cet intervalle), alors que les moustaches indiquent l’intervalle 2,3-97,7%, ainsi que les points extrêmes. La « moustache haute » peut être considérée comme la limite supérieure de la concentration de la ligne de base*. Si l’effectif de données est faible (moins de 37 données selon (EDMUNDS and SHAND, 2008)), les valeurs maximales et minimales définiront la ligne de base. Cependant, si les valeurs extrêmes ne respectent aucune distribution régulière, et peuvent être considérées comme des anomalies locales ou des points aberrants, elles justifieront une attention particulière et pourraient ne pas être prises en compte. Les graphes de fréquence cumulative sont préférés dans le cas d’études de la ligne de base en tant que premier niveau de discrimination entre la chimie naturelle et les éventuelles pollutions.


Partie III - STRATEGIE DE SURVEILLANCE DES

AQUIFERES PENDANT ET APRES LE STOCKAGE DE

CO2


I. REGLEMENTATION POUR LE CAPTAGE ET LE STOCKAGE GEOLOGIQUE DU DIOXYDE

DE CARBONE (CSC)

La première réglementation internationale pour la capture du carbone (CSC) a été introduite lors de la Convention et du Protocole de Londres et suivies par le règlement OSPAR. Elle demande a minima un plan de surveillance et un système de surveillance post-fermeture pour l'évaluation et la gestion des risques liés au stockage géologique.

I.1. EN EUROPE

Suite au cadre international posé et aux nouvelles lignes directrices du GIEC GES (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat, sur les Gaz à Effet de Serre)13, l'Union européenne a émis la directive européenne 2009/31/CE relative au stockage géologique du CO2 en 2009 (Union Européenne, 2009) qui comprend un plan de surveillance obligatoire qui devait être transposée par les Etats membres avant juin 2011 (transposition finalisée en 2013). La directive :

Stipule que le CO2 ne peut être stocké dans des formations géologiques qu’une fois l'évaluation des risques réalisée et les permis d'exploration et de stockage obtenus,

Et charge les Etats membres de la surveillance de l'exploitation des installations de stockage de CO2 par «une autorité compétente».

Suite à cette nouvelle réglementation européenne, les sites de stockage doivent se conformer à la directive CSC, qui implique des activités de surveillance obligatoires et des recommandations de déclaration. Les éléments du plan de surveillance mis en place au sein de la directive CSC de l'UE concernent le site de stockage*, le panache* de CO2, les chemins préférentiels et zones vulnérables, et les fuites dans l’environnement (Union Européenne, 2011b).

On notera que d’autres catalogues (bases de données) de techniques de surveillance pour les projets CSC, actuellement en cours d'utilisation ou dans une phase expérimentale / de développement existent, tels que (IEAGHG, 2013;National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012;US EPA, 2013e), ce dernier proposant le même cadre et objectifs que la directive CSC de l'UE mais pour les États-Unis. La France a marqué sa volonté de s’engager dans la voie du captage et stockage géologique du CO2 (CSC) afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, la Directive 2009/31/CE relative au CSC a été transposée :

par l’article 80 de la loi, dite « Grenelle 2 », n°2010-788 du 12/07/2010 relative à l’engagement national pour l'environnement, pour ce qui relève de la recherche de formations aptes au stockage géologique de CO2 ;

par l’article 5 de l’ordonnance 2010-1232 du 21 octobre 2010 portant diverses dispositions d’adaptation au droit de l’Union européenne en matière d’environnement, pour l’exploitation d’un site de stockage géologique de CO2.

L’objectif de ce cadre juridique est d’assurer que le stockage sera permanent et sûr pour l’environnement et la santé humaine. Ainsi la Directive 2009/31/CE stipule que l’étape de sélection du site de stockage est essentielle pour garantir que le CO2 stocké sera confiné parfaitement et en permanence. Le choix des futurs sites devra donc faire la preuve « qu’il n’existe pas de risque de fuite* significatif, ni de risque significatif pour l’environnement ou la santé.». Chaque site doit ainsi faire l’objet d’une analyse des risques détaillée et de la prévision de mesures

13

qui constituent la base de nombreuses règlementations CSC


correctives pour faire face à d’éventuelles irrégularités, étant entendu que, dans les conditions d’évolution attendues, aucun impact n’est envisagé sur des ressources sensibles.

I.1.1. Surveillance pendant l’exploration et l’exploitation

Pour les tests d’injection comme pour l’exploitation du site, l’exploitant doit fournir une notice environnementale. Il doit également établir un plan de surveillance détaillé dans le décret 2011-1411 et dans l’annexe II de la directive 2009/31/CE. Ce plan prévoit que l’exploitant procède à la surveillance du site et du complexe de stockage*, y compris si possible de la zone de diffusion du flux de CO2 injecté et du milieu environnant, afin de :

a) Comparer le comportement réel du CO2 et de l’eau de formation dans le site de stockage avec le comportement prévu par les travaux de modélisation ; b) Détecter les incidents ou accidents dans les opérations d’injection ou de stockage qui impliquent un risque de fuite*, une fuite, ou un risque pour l’environnement ou la santé humaine ; c) Suivre la migration du CO2 injecté, à savoir le déplacement du flux de CO2 injecté au sein du complexe de stockage ; d) Détecter les fuites* de CO2, une fuite s’entendant comme tout dégagement de CO2 hors du complexe de stockage ; e) Détecter des effets sur l’environnement ou la santé humaine, y compris les effets éventuels sur les nappes d’eau souterraine autres que celles incluses dans le complexe de stockage ; f) Evaluer l’efficacité des mesures préventives et des mesures correctives mises en œuvre dans les circonstances prévues ; g) Réviser les mesures préventives et correctives ci-dessus pour en améliorer l’efficacité ; h) Mettre à jour l’étude de danger pour évaluer la sécurité et l’intégrité du complexe de stockage à court et à long terme, y compris en déterminant si le CO2 restera confiné de manière sûre et permanente.

D’après le code de l’environnement, il faut savoir que l'autorisation d’exploiter approuve également le plan de surveillance et le plan de mesures correctives à mettre en œuvre en cas d'irrégularité notable dans les opérations d'injection ou de stockage ainsi qu'en cas de fuite* et le plan de post-fermeture provisoire. Les plans de surveillance, de mesures correctives et de post-fermeture provisoire sont mis à jour tous les 5 ans. Cette mise à jour tient compte de l’évolution des risques, des nouvelles connaissances scientifiques, des meilleures pratiques et des améliorations des techniques disponibles. Ces documents sont publics. Il convient donc de s’assurer que ces plans prennent en compte correctement les aquifères et les impacts potentiels sur la ressource en eau en cas de défaillance du site de stockage géologique (fuite* de CO2). On souligne que Bouc et al. (2012) proposent de mettre en place une surveillance au niveau d’un aquifère de contrôle. Cet aquifère, placé entre la formation de stockage et les aquifères exploités pour l’alimentation en eau potable, permettrait de détecter de manière précoce une éventuelle fuite* de CO2 , donc d’agir avant que l’aquifère cible ne soit atteint.

I.1.2. Surveillance post exploitation

Lors de la demande d’autorisation, l’exploitant doit établir un plan de post-fermeture provisoire qui sera revu durant la période d’exploitation. Ce plan fixe les conditions de fermeture du site de stockage et la surveillance du site pendant la période post-fermeture définie au préalable. Ce plan de surveillance est décrit dans l’annexe II de la directive 2009/31/CE et dans les documents guides


cités précédemment. Il est mis à jour régulièrement, jusqu’à la version définitive au moment du transfert de responsabilité. Après mise à l’arrêt du site, la surveillance continue sous la responsabilité de l’exploitant, avec pour objectif de faire la démonstration du confinement sûr du CO2 à long terme. Cette démonstration s’appuie nécessairement sur 3 critères :

L’observation d’un comportement conforme avec les modèles ;

L’absence de fuite* détectable ;

L’évolution du site vers une situation de stabilité à long terme. Lorsque l’exploitant a fait la démonstration que ces trois conditions sont remplies et qu’une période minimale de surveillance de 20 ans s’est écoulée depuis l'arrêt de l’injection14, la responsabilité du site peut être transférée à l’Etat. L’exploitant lui remet son programme de mesures préventives et correctives à jour. L’exploitant verse également une soulte permettant de couvrir au moins le coût prévisionnel de 30 ans de surveillance.

I.2. AUX ETATS-UNIS

Aux États-Unis, les réglementations relatives à l’injection et au stockage du CO2 dans des formations géologiques profondes sont contenues dans deux programmes de l'US EPA (Environnemental Protection Agency) : (1) le Programme UIC (Underground Injection Control) ; et (2) le Programme de déclaration des GES Le programme UIC : Les Etats-Unis ont développé le Programme UIC (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012) en 1979 en complément de la Loi sur l'eau potable (Safe Drinking Water Act, SDWA). La SDWA inclus un mandat à l'EPA pour élaborer des lignes directrices fédérales pour contrôler les puits d'injection et les activités d'injection. Le Programme UIC régule l'injection de tous les fluides, y compris les liquides, gaz et semi-solides, dans le sous-sol. La mission première du Programme UIC est de protéger les ressources en eau souterraines et de s’assurer qu'aucune opération d'injection ne met en danger les ressources en eau souterraines ou la santé humaine. À cette fin, le Programme UIC15 a établi des normes minimales à respecter pour la construction, l'exploitation et la fermeture de puits d'injection « destinés à stocker ou éliminer des fluides dans le sous-sol ». Ces normes sont conçues pour s’assurer que les fluides injectés ne fuient pas du puits de forage ou sont bien contenus dans la zone d'injection ciblée et ne mettent pas en danger les ressources en eau souterraines (les puits d’injection de CO2 pour du stockage géologique sont concernés par la classe VI16 du programme UIC). De manière élargie, la réglementation américaine spécifique au stockage géologique de CO2 concerne la protection des ressources en eau souterraines vis-à-vis de la saumure* et de la propagation d’un panache de CO2. Généralités : L’US EPA propose ainsi plusieurs guides de bonnes pratiques, y compris sur la surveillance à appliquer aux sites de stockage de CO2. Il est notamment requis de (Carroll et al., 2014b) :

14

ou après décision des ministres chargés des mines et des installations classées, si l’autorité est convaincue plus précocement du respect de ces conditions, après une période minimale de 10 ans depuis l'arrêt définitif du site 15

Des informations complémentaires sur le programme UIC, des documents d'orientation et aide à la conformité sont disponibles sur le site de l'EPA, à l'adresse suivante : http://water.epa.gov/type/groundwater/uic/, consulté le 24/04/2015 16

http://water.epa.gov/type/groundwater/uic/wells_sequestration.cfm, consulté le 24/04/2015

http://www.epa.gov/ogwdw/uic.html

http://water.epa.gov/type/groundwater/uic/


- Réaliser une ligne de base* géochimique sur les formations du sous-sol dans la zone d’emprise du site de stockage de CO2 ;

- D’évaluer des risques (avant l'injection) vis-à-vis de la qualité de l'eau pour toutes les ressources en eau souterraines au sein de la zone d’emprise du site de stockage de CO2 ;

- De réaliser une surveillance géochimique au niveau de la première formation surplombant la zone de confinement du stockage et ayant une perméabilité* suffisante pour permettre la prise et l’analyse d’échantillon d’eau. La formation à surveiller reste dépendante des conditions locales ;

- De conduire des tests et de la surveillance vis-à-vis des signes de fuite* pendant l'injection et la période de post-injection au-dessus de la zone de confinement et dans les formations aquifères ;

- Pour l’opérateur, de soumettre un plan de remédiation « Emergency and Remedial Response Plan » à l’EPA.

Les localisations spatiales, profondeurs, le nombre de puits de surveillance* et les paramètres à surveiller requis pour la surveillance directe de la qualité de l’eau souterraine et des changements potentiels géochimiques de la zone identifiées sont dépendants de chaque site et se basent sur la caractérisation du site, les informations opérationnelles (y compris le taux et volume d’injection, la géologie…), la ligne de base géochimique, la modélisation… Echantillonnage : Au minimum, l’US EPA recommande d’échantillonner tous les puits 4 fois par an pour tous les paramètres pertinents pendant la période d’injection ; la fréquence spécifique à un projet sera déterminée en fonction de la variabilité de la chimie de l’eau et évoluera en fonction des conditions observées sur site. Certains paramètres pourront être suivis de manière quasi-continu (tels que la température ou la conductivité électrique). En général tout prélèvement soustrait l’échantillon aux conditions in-situ. Il est donc recommandé de prendre des échantillons les plus représentatifs possible des conditions fond de trou (nécessitant ainsi d’être filtrés et conditionnés sur site par exemple, pour éviter toute évolution lors du transport). Lors d’un prélèvement à grande profondeur, l’eau peut évoluer lors de sa remontée. Il peut être alors nécessaire de recalculer les conditions fond de trou. L’échantillonnage doit se faire selon des protocoles appropriés aux grandes profondeurs décrits dans les guides de l’US EPA (voir (US EPA, 2013e) pour plus de références). On notera notamment que :

- La pression peut être mesurée grâce à un capteur de diagraphie* avant toute purge et échantillonnage de fluide ;

- Les puits doivent être purgés avant toute collecte d’échantillon pour une meilleure représentativité de la formation17 ;

- Les paramètres chimiques et physiques instables (pH, potentiel redox, oxygène dissous, température, et la conductivité électrique) doivent plutôt être mesurés in-situ (via une sonde multi-paramètre par exemple) qu’en surface ou au laboratoire. Les équipements nécessitent d’être calibrés selon les recommandations des fournisseurs et les procédures de contrôle qualité des organismes opérant les mesures ;

17

En grande profondeur (plusieurs centaines de mètres de colonne d’eau) la purge est difficile ou nécessite des outils très coûteux. Des prélèvements de fond peuvent remplacer cette purge.


- Les échantillons pour analyses des cations et anions majeurs, ainsi que les solides totaux dissous, doivent être filtrés sur site.

Interprétation : Avant toute interprétation, les données doivent être évaluées. Ensuite les données sont comparées avec la ligne de base* afin de détecter tout changement géochimique qui pourrait indiquer une fuite* ou une migration de fluide. Si des expériences en laboratoire ou de la modélisation sont également réalisées, les résultats doivent être comparés avec les analyses. Les tendances pouvant indiquer une fuite* de fluide sont :

- Une augmentation des solides totaux dissous ; - Un changement de signature des cations et anions majeurs (selon les diagrammes de Piper

ou Stiff) ; - Une augmentation de la concentration en CO2 ; - Une diminution du pH ; - Une augmentation de la concentration des co-substances injectées ; - Une augmentation de la concentration de constituants remobilisés ; - Une augmentation de la pression du réservoir18 et/ou du niveau piézométrique ; - Une diminution de la densité du fluide combinée avec la présence de CO2.

Période post-injection : La période de post-injection est fixée par défaut à 50 ans, période pendant laquelle les opérateurs doivent utiliser des données périodiques indirectes (géophysique) ou directes (eau des puits) pour évaluer si les ressources en eau souterraines ont été ou sont susceptibles d’être polluées. Les directives actuelles sur la durée de la période de surveillance sont flexibles et peuvent être réduites si les opérateurs peuvent illustrer que le CO2 et la saumure* sont contenues et que les ressources en eau sont protégées. Cette combinaison de période fixée et de norme de performance met l'accent sur l'importance de développer des technologies robustes pour la mesure et la surveillance du CO2 dans des formations géologiques profondes. Le programme de déclaration de GES pour les projets de stockage géologique19 : En Décembre 2010, au moment où la réglementation UIC sur les puits de classe VI a été finalisée, l'US EPA a également finalisé la réglementation pour «la déclaration obligatoire des gaz à effet de serre pour l'injection et le stockage géologique de dioxyde de carbone». Ces exigences sont destinées à fournir à l'EPA un relevé d'activité de GES consolidé pour tous les futurs projets de stockage géologique. Ils assurent également que les éléments clés du suivi des projets stockage géologique soient pris en compte, à savoir : l'identification des rejets potentiels par la géologie et les équipements, un bilan de masse de CO2 consolidé pendant toute la durée du projet, le développement d'une ligne base de CO2 dans l'atmosphère, et une stratégie de surveillance de la surface / sous-sol. Cette réglementation est destinée à compléter la réglementation UIC sur les puits de Classe VI. Le document ne précise pas les technologies de suivi ou les méthodes à utiliser, même s’il recommande certaines approches de surveillance. Il souligne les critères de performance qui

18

Attention toutefois, car le monitoring en pression ne devient sensible (et précis) que pour des quantités importantes de CO2. Les variations de pression commencent à un niveau local, au droit du forage injecteur ; la migration d’éléments dissous peut se faire plus vite que celle du front de pression. 19

http://www.epa.gov/climatechange/emissions/ghgrulemaking.html, consulté le 06/06/2015


devraient être suivis par les superviseurs du projet afin de répondre aux exigences de la déclaration des GES. Un plan de suivi, reporting et vérification doit être développé pour la zone du projet, avec les éléments suivants :

- Délimitation de la zone à suivre, avec une zone maximale et une zone active (zone de monitoring accru à l’intérieur de la zone maximale) ;

- Identification, évaluation et analyse de risque des chemins de relargage vers la surface dans la zone maximale ;

- Stratégie pour détecter et quantifier les rejets de CO2 vers la surface (tout rejet de CO2 depuis la surface ou depuis du matériel d'injection doit être enregistré trimestriellement et rapporté annuellement) ;

- Résumé des considérations faites pour calculer les variables spécifiques au site pour le bilan de masse.

I.3. EN AUSTRALIE

La réglementation australienne repose sur le Greenhouse Gas Geological Sequestration Act (GGGSA) 2008 de l’Etat de Victoria. Les Principes Directeurs Australiens pour le captage et le stockage géologique exigent (Department of Primary Industries, 2009) :

- un suivi approprié et des exigences de vérification permettant la génération d'une information claire, complète, exacte et accessible au public qui peuvent être utilisés pour gérer efficacement et de façon responsable les impacts sur l'environnement, la santé, la sécurité et les risques économiques ;

- et un cadre pour établir, à un niveau approprié de précision, la quantité, la composition et l'emplacement de gaz capté, transporté, injecté et stocké, et l'abattement net des émissions. Cela devrait inclure l'identification et de comptabilisation des fuites*.

La Loi explicite clairement les informations à fournir au gouvernement dans le cadre d’un stockage géologique de CO2 dans le but de :

- permettre une meilleure compréhension de la nature des formations proposées et potentielles pour le stockage souterrain ;

- identifier les risques possibles associés aux opérations d'injection proposées et les moyens par lesquels ils vont être gérés ;

- et identifier les impacts des opérations. Il est souligné que le besoin d'information doit être adapté en fonction des contraintes que la collecte de ces informations impose. Cependant, il est essentiel que la nature et le niveau d'information requis soient suffisants pour soutenir des prises de décision justes et informer le public, tout en ne compromettant pas la confidentialité commerciale. Des informations supplémentaires peuvent être exigées par rapport à :

- l’appui à la prise de décision à l'avancement des opérations ; - l’amélioration de la connaissance des ressources souterraines ; - l’assurance de l'intégrité des opérations prévues ; - Et l’amélioration de la compréhension de l'impact des opérations.

I.4. AU CANADA

Le ministère en charge du développement du gaz naturel a entamé (en 2014) une procédure de consultation afin de développer une réglementation sur le stockage géologique du CO2 afin de compléter la réglementation existante au stockage géologique de CO2, de s’assurer que le


stockage est réalisé en toute sécurité et transparence (Ministry of Natural Gas Development, 2014). L'Association canadienne de normalisation a élaboré la première norme CSC du Canada (CSA Z741), qui définit les grandes exigences opérationnelles pour le CSC. CSA Z741 établit une approche normalisée pour les projets de CSC conformément aux meilleures pratiques et aux exigences réglementaires de l'industrie. La nouvelle norme est une norme binationale (pour le Canada et les États-Unis). La nouvelle norme sera également utilisée comme une base pour une norme internationale qui est actuellement en cours de développement par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) (Ministry of Natural Gas Development, 2014). La Loi sur le pétrole et le gaz naturel (Petroleum and Natural Gas Act, P&NG Act) définit un réservoir de stockage comme "un réservoir souterrain naturel qui peut être utilisé pour l'introduction, l'élimination, le stockage ou la récupération du pétrole, du gaz naturel, de l'eau (produite dans le cadre de la production de pétrole ou gaz naturel), de déchets ou de toute autre substance prescrite". Les réservoirs de stockage peuvent inclure les formations riches en pétrole et gaz, mais aussi toute autre formation géologique adaptée. En vertu de la Loi P&NG, les opérateurs de pétrole et de gaz qui ont des droits fonciers pour produire du gaz naturel ou du pétrole à partir d'une zone géologique spécifique ont aussi le droit de stocker des substances, associées à la production des hydrocarbures, dans cette même zone. Les substances produites par la production de pétrole et de gaz naturel, y compris le CO2, et d’autres substances prescrites par la réglementation peuvent être stockées ou éliminées dans un réservoir souterrain. A l'avenir, le CO2 provenant de sources autres que la production de pétrole et de gaz naturel pourrait être stocké ou éliminé dans un réservoir de stockage en définissant la substance comme une substance prescrite par la Loi. Une fois prescrit, toutes les lois et règlements applicables aux réservoirs de stockage tels qu'identifiés dans la Loi P&NG seraient également applicables à tous les projets de CSC qui capturent et stockent des émissions. Surveillance : Le suivi des activités opérationnelles est actuellement exigé en Colombie-Britannique pour assurer une performance sûre du gaz naturel et des substances associées (comme H2S et CO2), lors de l'exploration, de la production, de la transformation, du transport et de la réinjection. Les exigences de surveillance sont regroupées sous différentes réglementations selon les activités concernées. Le Ministère du développement du gaz naturel propose que les promoteurs de projets de CSC développent des plans de surveillance basés sur les résultats et qui permettent des évaluations des risques spécifiques à chaque site. Un programme de surveillance de réservoir devra fournir les moyens de prendre en compte les potentielles voies de migration naturelle de la zone d'injection à d'autres formations, à des aquifères peu profonds et/ou vers la surface. La surveillance sera également nécessaire pour détecter les fuites* et/ou la migration à travers des conduits artificiels, comme les fractures hydrauliques et les puits abandonnés. Les mouvements du panache* de CO2 au sein du réservoir seront surveillés en utilisant des puits de surveillance*. La surveillance sera également nécessaire même après l’arrêt de l'injection (dans les périodes de fermeture et post-fermeture). Les exigences en matière de surveillance à long terme seront sûrement nécessaires passé la phase de post-fermeture, mais les besoins réels ne pourront être déterminés qu’après un certain temps d’exploitation des projets, une fois que suffisamment de données seront disponibles pour démontrer tous risques potentiels.


Période post-exploitation : Les entreprises sont responsables de la réhabilitation des sites à la fin des opérations. Une fois le projet CSC terminé, le Ministère propose la création d'une phase de vérification post-fermeture au cours de laquelle l'opérateur continuera à assumer toutes les responsabilités du projet, et à maintenir le contrôle, la maintenance et la réhabilitation. Pendant la phase de vérification, l'opérateur devrait continuer à recueillir des données afin d'être en mesure de démontrer que les mesures de performance prévues pour le stockage de CO2 peuvent être remplies. Le Ministère envisage la création d'une Commission qui aurait pour rôle d’examiner les demandes de fermeture, d'évaluer les risques et de prendre des décisions sur la fin de la période de vérification. Il est proposé une durée minimum de 15 ans de post-injection avant qu'un opérateur puisse présenter une demande à la Commission pour clore la période de vérification. Sur le plan international, la responsabilité à long terme a été identifiée comme un obstacle majeur aux projets de CSC. En effet, les exploitants de CSC ne sont pas prêts à s’engager dans des projets si leur responsabilité est engagée sur une période non finie. D'autres provinces, comme l'Alberta, ont reconnu cet obstacle au développement et ont adopté une législation qui permet au gouvernement de prendre la responsabilité du CO2 stocké à long terme.

II. RECOMMANDATIONS EXISTANTES POUR LA SURVEILLANCE DES AQUIFERES

II.1. GUIDES DE BONNES PRATIQUES

De nombreux instituts de recherche, agences gouvernementales, groupes de travail internationaux, etc. ont travaillé à l’élaboration de recommandations (guidelines) à la fois pour le captage, le transport, mais aussi le stockage du CO2. Ces recommandations comprennent également des plans de mesures, suivis et vérifications des installations industrielles. Le comité technique du CSLF (Carbon Sequestration Leadership Forum) propose une liste de guides de bonnes pratiques sur les aspects techniques du stockage géologique du CO2 , à jour en juin 2013, en anglais, et accessibles à tous (Carbon Sequestration Leadership Forum (CSLF) Technical Group, 2013). Il regroupe une vingtaine de guides. Il ne s’agit pas ici de lister toutes les bonnes pratiques et recommandations existantes sur le stockage géologique du CO2 en général, mais de résumer les recommandations concernant plus particulièrement les aquifères, et notamment ceux exploitables en tant que ressources en eau potable. Les principaux guides ou rapports (y compris en français), abordant plus spécifiquement les impacts potentiels du CO2 sur les ressources en eau souterraines et proposant des recommandations (parfois très succinctes et généralistes), sont :

- IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories: Chapter 5 Carbon Dioxide Transport, Injection and Geological Storage, (IPCC, 2005)

- The Environmental Assessment for CO2 Capture and Storage, (IEA GHG (Greenhouse Gas R&D Programme), 2007)

- CCS guidelines, Guidelines for Carbon Dioxide Capture, Transport and Storage du World Resources Institute (WRI), (World Resources Institute (WRI), 2008)

- Etat des connaissances sur les risques liés au stockage géologique du CO2. Rapport n°1 : les risques en phase d’injection (INERIS, 2010)


- Guide sur le stockage géologique du CO2, guidance Document n°2, (Union Européenne, 2011a)

- Lignes de conduite pour la sécurité d'un site de stockage géologique de CO2, (BOUC et al., 2012)

- BEST PRACTICES for Monitoring, Verification, and Accounting of CO2 Stored in Deep Geologic Formations – 2012 Update, US DOE (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012)

- US EPA, Geologic Sequestration of Carbon Dioxide: Underground Injection Control (UIC) Program Class VI Well Project Plan Development Guidance, (US EPA, 2012b)

- US EPA, Geologic Sequestration of Carbon Dioxide: Underground Injection Control (UIC) Program Class VI Well Construction Guidance, (US EPA, 2012a)

- Synthèse sur les impacts potentiels du stockage géologique du CO2 sur les ressources en eau souterraines, (LIONS and BOUC, 2013)

- Retour d’expérience des incidents et accidents sur des sites d’exploitation ou de stockage en milieu souterrain – application au stockage géologique du CO2 (INERIS, 2013)

- BEST PRACTICES for: Risk Analysis and Simulation for Geologic Storage of CO2, (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2013)

- US EPA, Geologic Sequestration of Carbon Dioxide - Underground Injection Control (UIC) Program Class VI Well Site Characterization Guidance (US EPA, 2013d)

- US EPA, Geologic Sequestration of Carbon Dioxide - Underground Injection Control (UIC) Program Class VI Well Plugging, Post-Injection Site Care, and Site Closure, (US EPA, 2013c)

- US EPA, Geologic Sequestration of Carbon Dioxide - Underground Injection Control (UIC) Program Class VI Well Testing and Monitoring Guidance (US EPA, 2013e)

Ces références ont servi de base pour les recommandations préconisées dans ce guide.

II.2. DELIMITATION DE LA ZONE D'EMPRISE DU COMPLEXE DE STOCKAGE ET DE LA ZONE DE

SURVEILLANCE

Afin de pouvoir réaliser et opérer un projet CSC en toute sécurité et acceptable d’un point de vue environnemental, la forme et l’étendue des zones de surface et subsurface influencées par l’activité doivent être considérées. Pour décrire cette zone d'influence, le concept de « Zone d’emprise du complexe de stockage* » (AoR, Area of Review) a été introduit. La délimitation de cette zone est ou devrait être une condition préalable pour autoriser un projet CSC. Dans le cadre d’un stockage géologique de carbone, la délimitation doit tenir compte des fronts de pression modélisés et de l’extension des panaches de CO2. Les limites de la zone d’emprise coïncident avec l'extension maximale prévue (modélisée) du front de pression, pour toute la durée du projet. En outre, la zone d’emprise doit être réévaluée à une fréquence fixée minimale n’excédant pas cinq ans, ou lorsque le suivi ou les conditions d'exploitation le justifient (US EPA., 2013). Un exemple est donné sur la Figure 2.


Figure 2 : Exemple d’un réseau de suivi pour un site CSC (mw=monitoring well, puits de surveillance) (Modifié d’après

(BIRKHOLZER et al., 2009))

La zone de surveillance devrait inclure les installations d’injection, le complexe de stockage (incluant si possible le panache* de CO2), si besoin l’environnement proche (Union Européenne, 2011a), mais aussi toutes zones dont la pression augmente (World Resources Institute (WRI), 2008). La délimitation de cette zone peut aussi inclure des considérations réglementaires (World Resources Institute (WRI), 2008).

II.3. CONCEPTION DU RESEAU DE SURVEILLANCE ET PLAN DE SURVEILLANCE

II.3.1. Introduction

Comme le rappelle (BOUC et al., 2012), tout stockage géologique de CO2 a un double objectif qui se traduit par deux grandes fonctions :

- Stocker la quantité visée de CO2 pendant la durée d’opération prévue et - Assurer la sécurité du stockage sur le long terme

Afin de garantir l’ensemble des fonctions de sécurité, le site de stockage doit être bien étudié et surveillé. En effet, au début du processus de sélection d’un site, des incertitudes existent quant à la sécurisation du stockage. L’analyse de risque (incluant le risque de fuite* du fluide injecté ou déplacé et les impacts potentiels du fluide sur l’environnement (y compris les aquifères) et la santé humaine) et les modélisations numériques initiales vont permettre de mieux encadrer ces incertitudes (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2013). Les activités de caractérisation du site successives vont réduire certaines des incertitudes, et celles restantes vont être à la base de la conception du plan de surveillance. Une bonne correspondance entre la modélisation et les observations acquises par le plan de surveillance permettra d’ajuster le nombre et la fréquence des mesures à réaliser. Une vérification finale de tous les puits ainsi qu’un suivi post-injection permettra de garantir l’innocuité du site de stockage avant sa fermeture.

geologic fault

reservoir formation

cap rock

aquifer

aquitardCO2

injection

CO2 plume

elevated pressure front

CO2 plumeextension

brine displacement

area of review (site operator) DW Protection zone(water producer)

geologic fault

mw

deep aquifer (brine)


L’objectif de la conception du réseau de surveillance est de maximiser la capacité à détecter les fuites* potentielles et à suivre la migration du panache* de CO2 et du front de pression, tout en minimisant le nombre de puits, car ils peuvent aussi servir de lieux de passage préférentiel pour les déplacements des fluides (US EPA, 2013e). La conception du réseau des puits de surveillance* est un élément clé du système de surveillance qui permet de détecter d’éventuelles fuites qui, à travers la zone de confinement, pourraient mettre en danger la ressource en eau souterraine, et prend en charge la surveillance directe dans la zone d'injection. La première étape est la délimitation de l’emprise du site de stockage pendant la caractérisation du site (modélisation du front de pression et de l'étendue du panache* des différentes phases) (US EPA, 2013d;US EPA., 2013).

II.3.2. Etapes de la vie d’un site de stockage géologique de CO2

La mise en place d’un site de stockage requiert plusieurs étapes relatives aux phases de pré-injection, d’injection et de post-injection (Tableau 2). Chacune de ces étapes fait l’objet de recommandations, de réglementations et de règles de gestion afin de réduire les risques associés à l’injection et au stockage de CO2. Les phases sont décrites brièvement ci-dessous, le guide de (BOUC et al., 2012) détaillant plus précisément le cycle de vie d’un stockage de CO2 (ces différentes étapes serviront de base pour proposer des recommandations de surveillance des aquifères (Partie IV -p53)) :

La sélection du site : il s’agit principalement d’une phase de caractérisation géologique du bassin ciblé pour estimer les capacités de stockage du réservoir, les propriétés de confinement de la roche de couverture* et la stabilité de l’environnement géologique (activité tectonique, régime géothermique et hydrodynamique). Les ressources du sol et du sous-sol, les zones protégées pour l’environnement, les ressources en eau, les infrastructures et l’occupation des sols sont également étudiées.

La caractérisation du site, subordonnée à un permis exclusif de recherche : cette étape consiste en une étude détaillée avec acquisition de données sur le site de stockage et son environnement en termes de géologie, hydrogéologie, géochimie et géo-mécanique. Elle comprend la réalisation de forages et de tests d’injection.

La demande d’une concession de stockage géologique et d’une autorisation d’exploiter.

L’aménagement du site : forage des puits, mise en place des dispositifs de surveillance et acquisition des lignes de base du plan de surveillance.

L’opération d’injection et de surveillance : la durée de vie d’une installation est prévue entre 30 et 50 ans. Durant toute la durée de l’injection, le site sera surveillé afin de suivre l’évolution du CO2 injecté au sein de la formation et de s’assurer de l’absence de fuite dans les formations sus-jacentes. A un stade industriel, il est généralement envisagé d’injecter 150 à 250 millions de tonnes de CO2 par site dans le cas du stockage en formation aquifère, les stockages en gisements épuisés étant plus petits.

La fermeture du site et le transfert de responsabilité : à la fin de la période d’injection les installations sont démantelées et le puits d’injection colmaté selon la règlementation en vigueur. Néanmoins, les opérations de surveillance sont maintenues pour assurer le suivi de la diminution de la pression attendue après l’arrêt de l’injection. Lorsque le piégeage permanent et sûr est garanti, la surveillance sera progressivement réduite et la responsabilité du site transférée à l’Etat. La durée de la surveillance post-injection sera adaptée en fonction des sites de stockage, selon leur géologie, la quantité de CO2 injectée


etc. L’article L. 229-47 du Code de l'Environnement prévoit une période minimale de surveillance de 30 ans entre l'arrêt de l’injection et la décision d'approbation du transfert de responsabilité. Cet article prévoit également que si les conditions fixées par ailleurs sont remplies et si une période minimale de 10 ans s'est écoulée depuis l'arrêt définitif du site, cette période peut être réduite par les ministres chargés des mines et des installations classées.

Les agences de protection de l'environnement (par exemple, l'US EPA) proposent quatre types de suivi, dans le cadre du stockage géologique de CO2, que l’on peut associer aux étapes de vie ci-dessus :

i. le suivi ambiant (synthèse régionale, exploration et aménagement) est mené pour déterminer les conditions de la ligne de base* de la qualité de l'eau. L'objectif est de rendre compte à la fois, de la variation naturelle et des impacts anthropiques qui ont pu influencer la qualité des eaux souterraines. Ces résultats serviront de base pour comparer les futurs résultats de la surveillance. Les analyses du suivi ambiant devraient inclure toutes celles qui sont générées par une activité existante ou qui seront générés par l'activité proposée.

ii. le suivi de conformité (exploitation) détermine si les eaux souterraines ont été impactées par un relargage ou une contamination non autorisé. La localisation des puits de surveillance* devrait être concentrée dans les zones qui seront touchées en premier par l'activité à risque. Les analyses pour le suivi de conformité doivent inclure, au minimum, tous celles qui sont générées par l'activité proposée.

iii. le suivi de restauration (exploitation, éventuellement période de surveillance et long terme) des nappes doit être lancé quand un rejet non autorisé (fuite issue d’une installation autorisée) a été détecté par le suivi de l'évaluation. Les analyses à inclure dans ce suivi sont celles qui font l’objet de la restauration (ou tous paramètres directement liés), en incluant tous les paramètres traduisant des conditions physico-chimiques de l'aquifère qui pourraient affecter les processus de restauration menés (pH, Eh, oxygène dissous, température).

iv. le suivi post-fermeture (période de surveillance) est réalisé afin de déterminer les changements dans la qualité des eaux souterraines après la cessation de l'activité. Les analyses à inclure sont celles qui ont été réalisées pendant le suivi de conformité et / ou de restauration. Le risque de fuite ayant tendance à diminuer avec le temps, la surveillance après la fermeture d’un site peut donc être allégée par rapport à celle réalisée pendant les opérations de stockage. Alors que de nombreux paramètres clés restent importants (par exemple, la pression au sein du réservoir), le degré de sophistication peut être réduit en fonction des performances spécifiques à chaque site montrant que le panache* se comporte comme prévu par les modèles de simulation. Dans le cas où cette performance n’est pas atteint pendant la durée de vie opérationnelle d'un projet et / ou en période de post-fermeture, le programme de surveillance devra très probablement être prolongé ou élargi au cours de la période de post-fermeture (World Resources Institute (WRI), 2008).


Tableau 2 : Etapes du cycle de vie d’un stockage de CO2, d’après (BOUC et al., 2012)

Etapes Synthèse régionale

Exploration Aménagement Exploitation Période de

surveillance

Période postérieure au

transfert de responsabilité

Objectifs Identifier les

secteurs propices au stockage

Identifier et caractériser un complexe de stockage apte à stocker le CO2 en

toute sécurité

Réaliser les équipements nécessaires à l’injection du

CO2

Injecter la quantité visée de CO2 dans la durée

d’opération anticipée

Vérifier le comportement

durable du complexe de

stockage (détecter les irrégularités,

fuites ou déplacements de

fluides…)

Confiner le CO2 de façon

permanente et sûre


Pri

nci

pal

es a

ctiv

ités

op

érat

ion

nel

les

Approche géologique,

géographique et hydrogéologiques

à partir de données

existantes

Caractérisation du site Etudes géologiques et

hydrogéologiques Forages de

reconnaissance Mesures géophysiques et caractérisation des

fractures et des zones de fracture (sismique 3D)

Tests d’injection Modélisation numérique

des systèmes d'écoulement profonds

(y compris analyse d'impact)

Exploration (hydro-) géologique du milieu

environnant (localisation des puits abandonnés)

Forages Lignes de base

pour la surveillance

Ligne de base hydro-

chimique et des pressions des aquifères profonds et

peu profonds Test d'intégrité

des puits

Injection Surveillance (y compris

composition du flux de CO2) Vérification de la conformité

prédictions / opérations Suivi hydro-chimique et des

pressions des aquifères profonds et peu profonds

Surveillance géophysique et caractérisation des fractures

et des zones de fracture (sismique 3D)

Test d'intégrité des puits (tube de cuvelage et

cimentation) Mise à jour continuelle des

modèles Mis en œuvre de mesures

correctives si besoin

Surveillance par l’opérateur

Vérif. Conformité modèles /

observations Suivi hydro-

chimique et des pressions des

aquifères profonds et peu profonds

Mise à jour continuelle des

modèles Mesures correctives

si besoin Scellement des

puits et démantèlement des

installations Test d’abandon des

puits

Surveillance par l’Etat

Au besoin renforcement de la surveillance et mise en œuvre

de mesures correctives

Durée > 2 ans ~ 5 ans > 2 ans 20-50 ans ~30 ans


II.3.3. Points clé d’un plan de surveillance d’un site de stockage géologique de CO2 vis-à-vis des

aquifères

II.3.3.1 Objectifs d’un plan de surveillance

Le suivi est l'une des activités clés pour assurer la réalisation en toute sécurité des projets de stockage géologique. Il est essentiel de déterminer si le CO2 injecté se comporte comme prévu, qu’aucune migration ou fuite n’apparaît ou n’est pas nuisible pour l'environnement ou la santé humaine. Ainsi, les plans de surveillance doivent être développés en même temps que la caractérisation du site, la modélisation et l'évaluation des risques, et ils doivent être liés à des mesures préventives et correctives, ainsi qu’à une sécurité financière du projet. (IPCC, 2005;Union Européenne, 2009;Union Européenne, 2011a;US EPA, 2013e)). Ces activités de surveillance et de vérification sont fondamentales pour une mise en œuvre réussie d'un projet de stockage géologique (PLASYNSKI et al., 2011). Elles doivent être fonction des risques spécifiques à chaque site, et s’adapter selon l'évolution des besoins au cours de la vie d'un projet de CSC, avec : (i) une surveillance en évolution normale, (ii) une surveillance renforcée ou particulière en cas d’anomalie révélant une situation d’évolution altérée et (iii) une surveillance spécifique aux mesures qui seront prises pour remédier à cette anomalie. Même si chaque site est unique et requiert un plan de surveillance spécifique (Sijacic, 2013), les nombreuses lignes de conduite et recommandation génériques existantes et l'expérience accumulée donnent des indications générales sur lesquelles doivent être bâti chaque plan. Chaque plan de surveillance sera unique. La surveillance est un outil essentiel pour s’assurer de l’intégrité d’un stockage et de sa sécurité en :

- comparant le comportement réel du CO2, de l’eau de formation et de la roche dans le site de stockage à la modélisation de ce comportement ;

- détectant les irrégularités possibles (migration de CO2, fuites de CO2, déplacement de saumures*, perturbation de pression) ;

- évaluant l’efficacité des mesures correctives éventuellement prises ; - mettant à jour l’évaluation de la sécurité et de l’intégrité du complexe de stockage* à court

et à long terme, y compris en déterminant si le CO2 stocké restera confiné parfaitement et en permanence ;

- détectant des effets délétères manifestes sur le milieu environnant, en particulier sur l’eau potable, sur les populations humaines ou sur les utilisateurs de la biosphère environnante.

(Feitz A. et al., 2014) soulignent d’ailleurs qu’afin de s’assurer de l’acceptabilité sociale d’un stockage de CO2, il est indispensable d’avoir un programme de suivi de surface et sub-surface spécifique : en se focalisant sur les passages préférentiels avec des probabilités de fuites importantes (puits) ou sur les lieux qui comportent de plus forts risques (caves de bâtiments habités, ouvrages souterrains tels que tunnels, parkings souterrains…). Cependant, il est important de compléter le programme de suivi avec des techniques ayant un bon rapport qualité/prix qui peuvent suivre des fuites à petites échelles ou sur de larges étendues.

II.3.3.2 Construction d’un plan de surveillance des aquifères

La construction du plan de surveillance des aquifères se basera sur : - Des études préalables qui permettront de bien connaître l’hydrogéologie régionale - La définition d’un modèle conceptuel :


La construction d’un modèle conceptuel doit refléter au mieux la réalité Elle doit permettre la définition de la zone d’emprise du complexe de stockage et la

définition des zones de contamination possibles et des risques associés - La réglementation et les besoins de communication aux parties prenantes

Le plan de surveillance des aquifères doit proposer un programme de surveillance avec :

- Les paramètres à suivre : Les paramètres spécifiques à analyser dépendent des caractéristiques du site et de la

composition du flux de CO2 prévu20 (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012;Union Européenne, 2009;US EPA, 2013e).

En règle générale, l'augmentation de la concentration de CO2, la diminution du pH, des variations de pression et de température ou un changement de la chimie (ions majeurs, total des solides dissous) de l'eau par rapport à la ligne de base peuvent indiquer une migration de fluide (US EPA, 2013e) ; (BOUC et al., 2012;World Resources Institute (WRI), 2008).

- La description et la justification des technologies de suivi à utiliser, ainsi que leur sensibilité (US EPA, 2013e)

Ces technologies peuvent être soit des techniques indirectes, soit être mise en œuvre dans des puits d’observations (Fabriol H. et al., 2008) : L’avantage d’un puits d’observation consiste en la possibilité de l’équiper de capteurs permanents (exemple Tableau 3) et d’avoir ainsi des informations en temps réel sur l’évolution du panache de CO

2, de pouvoir effectuer des prélèvements de fluides

pour des analyses géochimiques, de pH.

Tableau 3 : Inventaire des capteurs pouvant être installés en forage

Capteurs / opérations Objectifs de la surveillance

Résistivité Avancée du front de CO2 ; saturation

Pression et température Intégrité de la couverture / Fuites

Proche surface Détection de l'arrivée éventuelle du CO2 en proche surface

Prélèvement des fluides Analyse géochimique, pH, conductivité

Diagraphies (pH, température, conductivité) Saturation ; migration panache de CO2

Le désavantage d’un puits d’observation est certes la création d’un éventuel chemin de fuite21 ainsi que le coût élevé associé aux opérations de forage, d’équipement du puits et aux opérations d’acquisition et de traitement des données acquises. Les avantages ou désavantages d’un puits d’observation peuvent être mieux pris en compte en évaluant les informations qu’il est susceptible d’apporter par rapport à son coût.

- l’élaboration d’une ligne de base (permettant par la suite de détecter les possibles variations

de la qualité des eaux souterraines) et la définition des gammes de valeur des variables (issue des lignes de bases) et des traceurs à suivre (le choix des paramètres sera fortement

20

Il est à noter que la Directive Européenne ne demande qu'un flux "majoritairement composé de dioxyde de carbone", le taux d'impuretés est sont donc potentiellement important 21

risque minimiser par le fait que généralement ce type de puits n’atteint pas la formation de stockage


dépendant de la lithologie de l’aquifère et de ses caractéristiques géologiques), l’analyse de leur variabilité temporelle et la définition des valeurs seuils*

- La sélection et mise en place des sites d’échantillonnage et de suivi (aquifères sensibles* et aquifère de contrôle*) et sa répartition :

(US EPA, 2013e) recommande que le suivi hydrogéochimique soit effectué dans la première formation géologique (aquifère de contrôle) recouvrant la zone de confinement qui ait une perméabilité* suffisante pour assurer les prélèvements et l'analyse des échantillons d'eau souterraine ;

(BOUC et al., 2012) recommande également de surveiller tous les aquifères vulnérables* à l’aplomb du complexe de stockage* (aquifères utilisés pour l’eau potable ou constituant des ressources exploitables, pour la géothermie par exemple) ainsi que l’aquifère de contrôle* ;

les régions d'intérêt pour le risque potentiel de fuite de fluide et / ou de danger pour la ressource en eau souterraine (failles identifiées, fractures ou puits abandonnés qui peuvent représenter un passage préférentiel pour les fuites de gaz vers les aquifères) ne doivent pas être oubliés (US EPA, 2013e) ;

les régions qui sont supposées recouvrir les épaisseurs et saturations maximales du panache* de CO2 et / ou des pressions élevées font partie des régions à risque et devraient être couvertes par le réseau de surveillance ;

Le nombre de puits de surveillance* au-dessus de la zone de confinement et leur emplacement doivent être déterminés selon le contexte hydrogéologique défini par modélisation et / ou analyses statistiques basées sur le gradient hydraulique régional, les voies d'écoulement, la transmissivité, et la géochimie de la ligne de base (US EPA, 2013e). Ils doivent être situés de manière à ce que toute fuite à travers la zone de confinement, qui peut mettre en danger un aquifère, soit détectée dans un délai suffisant pour mettre en œuvre des mesures correctives. Pour les projets avec un panache* de différentes phases et / ou de front de pression prévu pour se déplacer dans une direction spécifique (par exemple, en raison d’un pendage de la formation géologique), les puits doivent être principalement placés dans le sens de l’écoulement prédit. Cependant, au moins un puits est nécessaire à l’amont ;

La condition principale pour mettre en place un système de surveillance réussi est de déterminer les zones «cibles», qui sont les lieux et profondeurs les plus susceptibles d'être impactés par l'activité surveillée. Les dimensions de ces zones cibles dépendent des composantes verticales et horizontales de l'écoulement dans les aquifères surveillés, des contaminants potentiels et de la distance que la contamination a pu parcourir depuis l'activité étudiée. L’implantation de puits de surveillance* doit donc prendre en considération le mouvement des eaux souterraines et les voies et distribution potentielles de contamination. Le réseau peut aussi inclure des puits amont pour détecter d'autres sources potentielles de contamination en amont du site (DVGW, 2008) ;

Importance de la surveillance de subsurface (Fabriol H. et al., 2008) : L’un des avantages des techniques de surveillance en profondeur est de se

rapprocher de la zone de stockage, et donc d’être en mesure de détecter plus rapidement une perturbation d’origine anthropique, sans devoir attendre sa manifestation en surface. Toutefois, la nécessité de recourir à des puits limite le nombre de points de mesure, non pas seulement pour des considérations économiques, mais aussi parce que tout nouveau puits foré accroît le risque de fuite ;


Une des solutions à envisager serait la surveillance des nappes d’eau douce de subsurface. Cette surveillance pourrait être envisagée en continu à partir des nombreux ouvrages souterrains existants de captage d'eau (potable, industrielle, agricole ou domestique). Par la prise en compte des sens d’écoulement, ces nappes pourraient éventuellement servir d’intégrateurs à « mi-distance » entre le réservoir de stockage et la surface (surveillance des niveaux intermédiaires).

- La fréquence de l’échantillonnage et la durée qui doivent être suffisamment élevées : Pour fournir une ligne de base représentative de la concentration des paramètres

analysés (US EPA, 2013e). Pour détecter les effets des pressions (ce qui implique au minimum un prélèvement

par an (Union Européenne, 2006)). De plus, la fréquence et le calendrier pour l’échantillonnage doivent prendre en

compte les exigences pour l'évaluation des tendances (variations saisonnières22), l'emplacement du puits (amont/aval de la pression), les fluctuations à court terme des concentrations de polluants et les propriétés hydrogéologiques car ces paramètres reflètent les temps de déplacement des eaux souterraines dans le sous-sol. En cas de remédiation d’un aquifère, les procédures d'échantillonnage doivent être poursuivies jusqu'à ce que des données confirment le changement de tendance des contaminants ou la dépollution de l'aquifère.

- L’analyse et le traitement des données à réaliser : Vérification des protocoles analytiques du laboratoire et des limites de détection. Choix des protocoles d’échantillonnage et de conservation des échantillons en

accord avec le laboratoire. Choix des analyses de données et des interprétations à réaliser afin d’être réactif

dès le début du suivi en cas de détection d’anomalies (US EPA, 2013e). Grâce à une caractérisation du site et l’implémentation du plan de surveillance, l’opérateur sera capable de maîtriser les risques de fuite, notamment, par un monitoring de la zone immédiatement au-dessus de la première zone de confinement du stockage de CO2, ou pour la subsurface grâce à des techniques telles que (World Resources Institute (WRI), 2008) :

- l’échantillonnage des eaux souterraines pour leur suivi (pH, alcalinité, concentration en calcium, métaux…),

- le suivi des gaz du sous-sol23 (CO2, O2, N2), avec une interprétation qui peut porter sur O2 vs CO2, CO2 vs N2, CO2 vs N2/O2) (ROMANAK et al., 2012),

- le suivi des isotopes naturels et artificiels, … -

II.3.3.3 Responsabilité et acteurs d’un plan de surveillance des aquifères

Les exploitants d'activités qui pourraient avoir une incidence sur les ressources en eaux souterraines sont généralement tenus de fournir une alerte précoce de l'apparition d’une pollution des eaux souterraines et de permettre des mesures de contrôle nécessaires pour un suivi opérationnel. L'exploitant du site de stockage est ainsi responsable de la surveillance dans la zone

22

Qui s’amortissent rapidement à mesure que la profondeur de mesure augmente 23

A privilégier plutôt au niveau des failles ou des forages où des remontées fortes peuvent avoir lieu


d’emprise du site de stockage. L’objectif principal est d'identifier les migrations potentielles du CO2 injecté et / ou du fluide de formation (saumure*) depuis la zone d’injection. Les fournisseurs d'eau locaux sont quant à eux responsables de la surveillance au sein des périmètres de protection des captages d'eau potable. Pour les puits situés entre les sites d'exploitation du CSC et les périmètres de protection, des paramètres clés spécifiques du CSC peuvent être inclus dans la surveillance. La construction du plan de surveillance nécessite une communication entre les exploitants du site de stockage de CO2 et ceux des ressources en eau, ainsi que les autorités.

II.3.4. Outils disponibles pour la surveillance d’un site de stockage géologique de CO2 et son

dimensionnement

Sur la base de leur application, fonction et stade de développement, une classification en trois catégories des outils de surveillance a été établie (dérivés de (PLASYNSKI et al., 2011)), avec :

i. les outils principaux sont les techniques éprouvées et matures qui fournissent les informations requises par les règlementations gouvernementales (EPA, UE, etc.)

ii. les outils secondaires, généralement plus avancés, sont des outils complémentaires aux outils principaux en permettant d'affiner les résultats. Ils ont déjà été éprouvés, mais l'efficacité de ces outils est fonction de facteurs propres à chaque site.

iii. les outils potentiels peuvent fournir des informations plus avancées et détaillées et une utilisation plus complexe. Leur applicabilité a été testée dans des cas d’études, mais le développement commercial n’est pas encore prêt.

Les technologies potentielles pourraient avoir une certaine utilité dans le futur en tant qu’outil de suivi une fois que les essais de terrain supplémentaires sont validés. Il est important de noter que la pertinence de certaines technologies peut changer dans le futur, au fur et à mesure de leur déploiement. Ce point est à prendre en compte lors de la sélection des méthodologies spécifiques à chaque site pour des projets de CSC. Les techniques de surveillance pertinentes pour le CSC sont fournies par de nombreuses références (BOUC et al., 2012;HUMEZ et al., 2014;National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012;Union Européenne, 2009;US EPA, 2013e). Différents outils existent également pour aider au dimensionnement du réseau de surveillance ou au traitement des données de surveillance acquises et permettre aux opérateurs de détecter au plus tôt des variations ou tendances, de la qualité des eaux souterraines, dues à des fuites ou à une migration de CO2. En voici quelques exemples :

- Dans le cadre du réseau de recherche internationale de l’IEA GHG (International Energy Agency Greenhouse Gas) sur le monitoring, un outil24 de sélection des techniques de surveillance a été développé afin d’identifier et prioriser les techniques qui pourraient faire partie d'un programme de surveillance. L'outil permettra aux utilisateurs de concevoir un programme de surveillance pour surveiller un projet de stockage de CO2 pour toutes les étapes, de la caractérisation du site à la post-injection. Il vise à sélectionner et évaluer les techniques de surveillance, à partir d’un scénario de projet défini par l'utilisateur, et d'identifier les techniques les plus appropriées qui doivent être évaluées pour un stade donné de développement du projet. L'outil ne doit pas être considéré comme prédictif, mais plutôt comme un outil d'aide à la décision qui encourage l'évaluation des techniques en fournissant des informations sur leur applicabilité pour un scénario de stockage défini. Il peut permettre d’aider à concevoir les programmes de surveillance pour différents scénarios

24

http://www.ieaghg.org/ccs-resources/monitoring-selection-tool1 (consulté le 22/04/2015)

http://www.ieaghg.org/ccs-resources/monitoring-selection-tool1


et situations de stockage de CO2. Cet outil contient 40 techniques de surveillance. Pour chaque technique une description complète est disponible avec des illustrations et des indications d'applicabilité. Des références d'études de cas où les techniques ont été appliquées sont fournies.

- l’US EPA (cité par (QUIOT, 2009a)) propose un recueil d’outil pour l’optimisation de la surveillance à long terme, dans le cadre plus large de la surveillance des eaux souterraines. On peut noter ainsi l’outil statistique MAROS1825 (Monitoring Remediation Optimization System) développé par GSI (Groundwater Services Inc.) et l’université de Houston pour l’AFCEE (Air Force Center for Environmental Excellence). Il permet de faire évoluer le réseau de surveillance en apportant notamment des recommandations sur le nombre de points de suivi ou encore la fréquence d’échantillonnage que ce soit dans le sens de l’augmentation ou de la réduction de la surveillance.

- Aux Etats-Unis, le National Risk Assessment Partnership (NRAP26) (cité par (CARROLL et al., 2014)) développe un outil pour l’analyse des impacts potentiels de l’injection de CO2 sur la chimie de l’eau

- Les cartes de contrôle (BOULANGER et al., 2006) : ce contrôle statistique consiste à comparer la valeur d’une mesure à une référence ou intervalle établi au préalable. Les cartes aux moyennes (Figure 3) permettent ainsi de détecter des dérives. Les bornes de l’intervalle sont les limites de contrôle (Lci et Lcs), auxquelles des limites de surveillance peuvent être ajoutées. Une recommandation pourrait être d’utiliser ainsi un premier intervalle englobant 66% des valeurs de la ligne de base, et un second intervalle englobant 95,4% des valeurs de la ligne de base (moyenne +/- 2 x écart-type), avec une cible (ou m0) correspondant à la médiane de la ligne de base.

Figure 3 : Exemple de carte de contrôle

II.4. ELEMENTS DE DEFINITION DE LA LIGNE DE BASE PROPRES AU STOCKAGE GEOLOGIQUE DE CO2

Un plan de surveillance efficace repose sur l'établissement d'une ligne de base initiale, avant l'injection, puis sur le suivi après le début de l'injection pour détecter et caractériser les changements dans les paramètres importants. Ainsi, il est essentiel d'établir une ligne de base pré-injection. La ligne de base doit être réalisée pour chaque paramètre de surveillance pertinent. Dans certains cas, il s’agira simplement de déployer des outils ou de collecter un jeu de données pour définir l'état initial (par exemple en géophysique pour la sismique 3-D). Pour d'autres outils ou approches (comme le suivi des eaux souterraines ou des sols), la ligne de base peut nécessiter des semaines, des mois, voire des années de surveillance et de caractérisation pour comprendre les fluctuations naturelles sur un site (par exemple pour le CO2 en fonction des variations naturelles du CO2 atmosphérique ou biogénique dans le sol). Le sous-sol étant très hétérogène, la variabilité naturelle spatiale et temporelle sera toujours importante. Ainsi aussi vaste que soit la zone de surveillance, elle ne fournira toujours qu’un aperçu parcellaire de la variabilité par rapport à la complexité naturelle d’un site.

25

http://www.gsi-net.com/en/software/free-software/monitoring-and-remediation-optimization-systems-maros-version-3-0.html (consulté le 22/04/2015) 26

edx.netl.doe.gov/nrap/, consulté le 22/04/2015

http://www.gsi-net.com/en/software/free-software/monitoring-and-remediation-optimization-systems-maros-version-3-0.html

http://www.gsi-net.com/en/software/free-software/monitoring-and-remediation-optimization-systems-maros-version-3-0.html


Les opérateurs potentiels doivent comprendre la nature de leur site afin de prévoir leurs besoins en matière de surveillance et pouvoir déployer le dispositif de surveillance choisi à l'avance pour établir une ligne de base avec une précision suffisante pour une gestion réussie d'un site de stockage, et ceci dès la première étape d’un projet (World Resources Institute (WRI), 2008).

II.4.1. Eléments de définition de la ligne de base pour la zone saturée

II.4.1.1 Eléments génériques

Concernant la ligne de base, il est recommandé de suivre les paramètres définis en tant que traceurs de la masse d’eau étudiée pendant environ deux ans, à une fréquence identique ou supérieure à ce qui sera fait pendant le suivi opérationnel. Certaines études réalisent un suivi pendant un an et demi (YANG et al., 2013), voire jusqu’à trois ans avant l’injection du CO2 afin d’intégrer la variabilité naturelle observée au cours de plusieurs cycles hydrologiques (JENKINS et al., 2012). (YANG et al., 2013), utilisent d’ailleurs la comparaison entre les valeurs maximales des paramètres mesurés lors de tests d’injection de CO2 et les intervalles [valeurs minimales ; valeurs maximales] pour évaluer les paramètres utiles au suivi de la détection du CO2 dans l’aquifère.

(Fabriol H. et al., 2008) recommandent : - La surveillance, au moyen de puits profonds, du réservoir où est stocké le CO2 : notamment

la caractérisation des formations de stockage et des aquifères connectés pendant la détermination de la ligne de base, pour déterminer d’éventuelles variations. Les prélèvements de fluide du réservoir et des aquifères connectés (en les conservant dans des conditions proches des conditions de fond de puits) permettront de mesurer le pH, la chimie (bilan cationique, anionique…), les gaz dissous et la présence de microorganismes, et de mettre en avant les paramètres pouvant évoluer dans les aquifères connectés, et donc à surveiller.

- La surveillance des aquifères voisins sus-jacents dans lesquels seront forés des puits de surveillance* si aucune exsurgence locale n’est directement accessible : la qualité des eaux (pH, chimie, gaz dissous, bactériologie) sera mesurée par prélèvements ou par sondes in situ. Par ailleurs les niveaux des surfaces piézométriques seront contrôlés régulièrement afin d’en caractériser les fluctuations au moins sur un an avant l’injection. Si un gaz marqueur est associé au CO2 injecté, une procédure analytique spécifique de détection sera adaptée à son analyse en phase aqueuse. On veillera à disposer d’un potentiel analytique important capable de détecter un cortège de gaz naturels (H2S, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, 222Rn, He, N2) ou possiblement co-injectés avec le CO2 (SOx, NOx, CO, Ar…27). La surveillance des aquifères est le point clé de la surveillance géochimique. C’est là que les premiers indices de fuite pourront être constatés, qu’ils proviennent de la détérioration du puits ou de la perte d’intégrité de la roche couverture*. Une attention particulière doit être portée à cette étape.

II.4.1.2 Réglementation des Etats-Unis

Aux Etats-Unis, la réglementation sur les puits de classe VI (US EPA, 2013d) exige une ligne de base géochimique sur toutes les ressources en eau souterraines au sein de l’emprise du complexe de stockage, à la fois pour les fluides mais aussi les phases solides..

27

Ainsi que tous les gaz rares atmosphériques dans le cas de l’oxycombustion


Paramètres à analyser : Les paramètres à analyser pour la ligne de base dépendront des caractéristiques du site et de la composition du CO2 injecté et devraient inclure :

- des paramètres de base (pH, solides totaux dissous, alcalinité, conductivité électrique) - les anions et cations majeurs (par exemple Ca, Mg, K , Na , Cl , Br , SO4

2-, et NO3-)

- d’autres paramètres (à déterminer selon la minéralogie des formations de stockage et de confinement (par exemple, Sr, Fe, Al, SiO2, carbone organique dissous (COD), CO2 dissous, H2S dissous (si le site est un champ pétrolier) et éléments traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, etc.)

- le CO2 gaz dans toutes les ressources en eau souterraines au sein de l’emprise du site de stockage

- des hydrocarbures : pour les échantillons issus des réservoirs déplétés. Les paramètres analysés en laboratoire devront être analysés selon des méthodes approuvées. Echantillonnage depuis des puits de surveillance* existants : Les opérateurs devraient réaliser des analyses de qualité d’eau depuis des puits présents dans l’emprise du complexe de stockage* qui n’ont pas été échantillonnés récemment. Pour les puits dans les formations profondes, il est recommandé d’utiliser des outils de prélèvement qui maintiennent les conditions de fond. Si les échantillons sont remontés à la surface, il est essentiel que des mesures de pression et température soient réalisées dans le puits pour des besoins de modélisation. La ligne de base doit également être réalisée sur une période de temps suffisante pour apprécier la variabilité temporelle de la chimie de l’eau. Echantillonnage pendant le forage d’un puits stratigraphique (de reconnaissance) : Lors du forage d’un puits de reconnaissance, l’US EPA recommande de réaliser des échantillons des fluides des formations rencontrées. Information à soumettre : Les propriétaires ou opérateurs devraient soumettre les informations suivantes concernant la ligne de base géochimique :

- la source des données - dates, localisations, formations et profondeurs des échantillons - méthodes d’échantillonnage et de conservation des échantillons - méthodes analytiques - les données d’assurance qualité (dupliquât, blancs…) - discussion sur les résultats, incluant toute anomalie, et discussion sur la

représentativité spatiale des données pour chaque formation Les résultats devraient être présentés sous forme de tableau et de graphes (diagramme de Piper, Stiff…), et si possible reliés à une carte de l’emprise du site de stockage. Le rapport sur la chimie des eaux devrait aussi inclure la température, la conductivité électrique et la pression relevées lors de l’échantillonnage.

II.4.2. Eléments de définition de la ligne de base pour la zone non saturée (gaz des sols)

Un état initial, dans le temps et l’espace, des émissions de gaz par le sol sera dressé sur la base de mesures de teneurs en forages peu profonds (min. 0,8 à 2 m, pour se placer en dehors de l'influence atmosphérique directe) et de flux gazeux en surface. Les points de mesure seront


localisés de préférence dans des zones présentant la probabilité la plus élevée d’apparition d’une fuite de gaz (proximité du puits injecteur ou de puits abandonnés, au-dessus de failles ou hétérogénéités géologiques reconnues…), avec un maillage variant de quelques dizaines de mètres au kilomètre, selon le périmètre du stockage et le contexte hydrogéologique. L’établissement d’une ligne de base sur une durée d’au moins une année en climat tempéré est nécessaire, avec au minimum 4 campagnes de mesure par an réparties sur les différentes saisons. En effet, les fluctuations des émissions de gaz des sols sont très liées à la respiration du couvert végétal et à l’activité des organismes et microorganismes, qui sont principalement gouvernées par les phénomènes climatiques et météorologiques. De nombreuses études (dont celles menées dans le cadre du projet ANR Géocarbone-Monitoring) ont montré, par exemple, que le taux d’humidité relative d’un sol et ses fluctuations dans le temps étaient responsables de variations allant du simple au double en termes de teneurs en CO2 (Granier et al., 2007). Les mesures doivent intégrer les fluctuations à l‘échelle journalière (cycles jour/nuit), saisonnière (cycle végétatif, précipitations) et annuelle (sécheresses, variations climatiques). L’injection de CO2 dans le sous-sol peut induire des mouvements de gaz déjà présents dans les formations réservoir, car la plupart d’entre eux (CH4, H2S, N2 C2H6, C3H8, C4H10…) est plus mobile que le CO2 supercritique. Ces gaz peuvent être surtout abondants dans les réservoirs pétroliers et gaziers déplétés ainsi que, pour certains d’entre eux, dans des gisements de charbon, mais sont aussi détectés à l’état de traces dans les aquifères. Sans parler d’H2S (gaz hautement toxique), l’impact d’une fuite de CH4 depuis un réservoir déplété serait globalement plus dommageable pour l’environnement qu’une fuite de CO2 car le CH4 est un gaz à effet de serre 23 fois plus puissant et, de plus, il est inflammable. Il est donc nécessaire de coupler une détection de ces gaz à celle du CO2 lors des campagnes de mesures au sol. On ajoutera la détection du 222Rn28, gaz issu de la décroissance radioactive de minéraux porteurs d’U, Th, K…, présents naturellement dans certaines formations géologiques. On pourra associer également la détection d’autres gaz d’origine naturelle tels que He, marqueur de fuites de gaz profonds. On pensera à disposer d’un potentiel d’analyse suffisant pour détecter des gaz possiblement co-injectés avec le CO2 tels que SO2, NO, NO2, Ar, CO (en fonction du mode de production du CO2). Le CO2 des sols a plusieurs origines possibles (CO2 lié à l’activité végétale, CO2 lié à l’activité des microorganismes, CO2 initialement présent dans les formations géologiques, CO2 lié à la dissolution des carbonates ou CO2 injecté) et le sol agit comme une machine à recycler le CO2. Déterminer l’origine du CO2 des sols est donc un défi majeur. Le suivi isotopique (13C, 18O) mais aussi la présence de gaz associés sont des solutions possibles (HUMEZ et al., 2014). Les mesures isotopiques en ligne et en continu est un outil à fort potentiel, qu’il faut développer ((LAFORTUNE et al., 2011;LAFORTUNE et al., 2013)).

28

cependant compte tenu de sa très courte période, il peut être supposé produit localement


Partie IV - RECOMMANDATIONS CIPRES

(SYNTHESE)


I. PREAMBULE

Cette partie synthétise les bonnes pratiques issues de la littérature ainsi que les enseignements et expériences tirés du projet CIPRES. Plusieurs auteurs soulignent l’importance primordiale d’une bonne gestion du site de stockage pour éviter les impacts sur la qualité de la ressource en eau souterraine (IEAGHG, 2011). Ce rapport n’a pas pour vocation d’approfondir ce point. De nombreuses références existent sur ce sujet. Les travaux publiés par l’IEAGHG (IEAGHG, 2011) présentent également une seconde approche : appliquer les bonnes pratiques de gestion de la ressource en eau souterraine et avoir une bonne cohésion, dès le départ, entre les différentes autorités publiques en charge du suivi des sites de stockage de CO2. Ceci est d’autant plus pertinent lorsque plusieurs autorités sont impliquées (par exemple les agences en charge du pétrole et du gaz et celles en charge de l’eau). Cette partie du document va s’attacher uniquement à préconiser des bonnes pratiques de gestion et de surveillance de la ressource en eau souterraine.

II. RECOMMANDATIONS GENERALES AU COURS DU CYCLE DE VIE D’UN PROJET DE

STOCKAGE DE CO2

II.1. REMARQUES GENERALES

Le cycle de vie d'un site de stockage géologique de CO2 peut être divisé en six phases (Tableau 2 et Tableau 4) (BOUC et al., 2012) :

- synthèse régionale, - exploration, - aménagement (construction des puits), - exploitation (injection du CO2), - fermeture du site (période de surveillance), - et période postérieure au transfert de responsabilité (évolution vers une situation de

stabilité à long terme) (Tableau 4). Les recommandations générales préconisées ici s’appuient sur ces différentes phases. Chacune des phases est caractérisée par différents objectifs en termes de surveillance du site de stockage. Les paramètres clés de surveillance et les fréquences et durée de chaque surveillance recommandées sont spécifiés plus bas pour chaque phase. Les analyses et mesures devraient inclure des paramètres de base :

- le niveau piézométrique, - pH, potentiel d’oxydoréduction, température, conductivité électrique, - alcalinité, anions et cations majeurs, carbone organique dissous (COD), - gaz : CO2 dissous et O2 dissous.

D'autres constituants peuvent varier en fonction des formations et doivent être déterminés en fonction de la lithologie du stockage et des formations de confinement. Ceux-ci peuvent inclure :

- d’autres éléments majeurs (Fe, Al, SiO2…), - des métaux traces (Sr, As, Hg, Cu, Zn, ...), - des hydrocarbures et substances co-injectées, - la composition isotopique (C, H, O), - certains gaz pouvant être naturellement présents dans le sous-sol (CH4 et autres alcanes,

H2S, N2, Ar, He, …), - des paramètres microbiologiques (biomasse, diversité, activité globale).


Les paramètres de bases à suivre doivent être les mêmes tout au long du cycle de vie d’un stockage géologique de CO2 afin de pouvoir suivre leur évolution. Il est à noter qu’une bonne caractérisation des aquifères cibles et notamment de leurs phases solides (composition chimique et minéralogique, propriétés chimiques…) est nécessaire pour être en mesure d’interpréter les études d’interactions fluides/roches, qu’il y ait ou non fuite de CO2 dans les aquifères étudiés. Le coût des analyses pour l’intégralité du projet de suivi d’un site est à prendre en compte dès le départ afin de dimensionner au mieux le suivi, en étant conscient des éventuelles contraintes financières que le suivi peut engendrer. Les méthodes utilisées pour la caractérisation des aquifères incluent :

- la surveillance géophysique (diagraphies*, suivi de température et de pression) dans des puits pour évaluer les conditions géologiques et hydrogéologiques de base dans un environnement proche des puits prospectés et autour du site avant l'injection de CO2.

- l’échantillonnage des eaux souterraines permettant d’évaluer la qualité et la composition des eaux souterraines avant la première injection de CO2. Les techniques de surveillance géochimiques disponibles incluent le suivi de la qualité des eaux souterraines, à savoir l'analyse des paramètres organiques et inorganiques et des isotopes, l’étude de la composition de la saumure*, et le suivi des traceurs de CO2 dans les eaux souterraines.

- la surveillance du sol, des formations superficielles et de l'atmosphère pour évaluer la ligne de base du CO2 ambiant et les concentrations en CO2 dans les gaz du sol au voisinage du site d'injection. Les sources diffuses naturelles et anthropiques de CO2 dans les environs du site doivent être répertoriées afin d'éviter des faux positifs de CO2 une fois l'injection commencée (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012). Les techniques de surveillance disponibles pour la proche surface et l’atmosphère comprennent des détecteurs atmosphériques de CO2, des chambres de mesure de flux par accumulation, des systèmes de détection avancée de fuite et l'échantillonnage de gaz de la zone non saturée et du sol.

Au fur et à mesure de l’avancement d’un projet de stockage de CO2, les données collectées sont utilisées pour valider le modèle numérique initial (défini lors de l’exploration, cf Tableau 2), voire le mettre à jour si nécessaire. La caractérisation du site, son monitoring et les simulations à partir du modèle construit permettent d’appuyer les décisions opérationnelles. Il est recommandé de rassembler l’ensemble des données de surveillance dans une base de données cohérente. Les données de la surveillance durant l'injection et la période de post-exploitation sont comparées aux résultats des lignes de base afin d'observer des changements dans le temps susceptibles de résulter du processus d'injection. Il est important de souligner que les méthodes de suivi préconisées dans les paragraphes suivants doivent nécessairement s’appuyer sur d’autres méthodes (modélisations numériques et expériences de laboratoire) pour pleinement être en mesure d’interpréter les résultats de terrain.


Les eaux souterraines à surveiller incluent globalement les aquifères à risque (autour du site d'injection, l'eau des puits de production d’eau potable, les ressources exploitables) ainsi que des fluides de formation saline (saumure*) (National Energy Technology Laboratory (NETL), 2012). La zone de surveillance de la ligne de base devrait inclure les installations d'injection, de stockage (y compris, si possible, la future extension du panache* de CO2), et le cas échéant l'environnement proche. Ceci constitue la base pour définir le plan de surveillance pour l'ensemble du projet de stockage géologique de CO2 et pour délimiter la zone de contrôle (emprise du site de stockage) pour toutes les autres activités de surveillance basées sur la géologie du complexe de stockage et sur le cadre géologique environnant (Union Européenne, 2011a;Union Européenne, 2011b). La fréquence d'échantillonnage et la durée doivent être suffisamment élevées pour être représentatives des paramètres analysés. Les échantillonnages doivent être réalisés selon un protocole unique, défini et reconnu (AQUAREF, 2011). Il est également recommandé de ne travailler qu’avec un seul laboratoire d’analyse reconnu (pour éviter d’avoir des limites de quantification différentes selon les campagnes). Si un changement de laboratoire d’analyse doit avoir lieu en cours de monitoring, il est important de prévoir plusieurs campagnes d’analyses en commun entre les deux laboratoires pour évaluer les variations entre eux. (CARROLL et al., 2014) soulignent le risque de ne pas pouvoir détecter les changements de qualité de l’eau des aquifères potentiellement impactés en fonction de la densité de puits de la zone surveillée. Ceci est d’autant plus vrai lorsque la gamme du bruit de fond géochimique est étendue. Cependant, si ces changements ne peuvent pas être détectés via les réseaux de puits existants, cela implique un risque sanitaire potentiel peu élevé.


Tableau 4 : Etapes de la vie d’un stockage géologique de CO2 et surveillance recommandée associée

Etapes de la vie d’un SGC

Synthèse régionale

Exploration Aménagement Exploitation Période de

surveillance

Période postérieure au


Type de suivi Ligne de base

environnementale

Élaboration du plan de

surveillance

Ligne de base du suivi

opérationnel

Suivi opérationnel

Suivi renforcé

Suivi post-exploitation

Suivi long terme

Objectif du suivi

Définir l’état « zéro » complet

des aquifères (avant toute intervention anthropique)

pour comparer ensuite toute

évolution potentielle due au

stockage

Définir les risques liés au stockage et la surveillance à mettre en place pour les maîtriser

Définir l’état « zéro » une

fois les puits de surveillance et d’exploitation

réalisés

Établissement de l’état

chimique des eaux

souterraines pour

identifier la présence de

toute tendance

anthropique

Evaluer les impacts

potentiels d’une fuite avérée de CO2 (et/ou des actions

de remédiation)

sur les aquifères

Suivre l’évolution des risques post-

exploitation (et/ou des actions de

remédiation), sur les aquifères

Suivre l’évolution des

risques long terme (et/ou

des actions de remédiation),

sur les aquifères

Durée > 2 ans ~ 5 ans > 2 ans 20-50 ans

20-50 ans 20-50 ans


II.2. CARACTERISATION DU SITE

Cette phase regroupe à la fois la synthèse régionale, l’exploration et l’aménagement. Elle implique des études approfondies et détaillées du site de stockage et du complexe de stockage* et de ses environs par l'opérateur. Ces études permettent de définir le cadre géologique et de le modéliser en trois dimensions par des modèles statiques et dynamiques. En fonction des données recueillies au cours de la phase d'exploration (évaluation du potentiel du site à devenir un site de projet SGC), d'autres activités de forage et de tests d'injection peuvent être menées, dans le cadre de la phase de caractérisation du site, pour réduire les risques et incertitudes des différentes phases du projet. Au cours de la caractérisation du site, les caractéristiques, événements et processus qui pourraient conduire à des fuites de CO2 et de fluides de la formation sont identifiés et les conditions de base pour décrire le site, avant toute injection et stockage de CO2, sont évaluées.

II.2.1. Synthèse régionale

L’objectif opérationnel est d’identifier les secteurs propices à un stockage géologique de CO2 dans une région d'étude (BOUC et al., 2012). Pour cela, l’opérateur va rassembler un maximum de données (géologie, géographie, hydrogéologie, hydrologie…) afin de bien comprendre l’hydrogéologie et les systèmes de confinement sur la région étudiée et d’estimer les capacités de stockage de CO2. En termes de surveillance des aquifères, cette phase correspond à l’établissement de la ligne de base environnementale. Il s’agit de définir l’état initial et la variabilité spatiale et temporelle des aquifères de la région à partir des données existantes. Aucune intervention anthropique dans le sous-sol n’aura lieu lors de cette phase (pas de forage), par contre les puits et piézomètres existants sont utilisés pour prélever et caractériser l’eau des aquifères étudiés. L’objectif de cette investigation est de définir des valeurs de références afin de pouvoir ensuite les comparer avec les valeurs acquises dans le cadre du suivi opérationnel du site de stockage. Il est recommandé que cette phase dure au moins deux ans et s’arrête quand commence l’exploration.

II.2.2. Exploration

L’objectif de cette étape est d’identifier et caractériser un complexe apte à stocker le CO2 en toute sécurité (BOUC et al., 2012). Pour cela, l’opérateur réalise une synthèse des données déjà rassemblées, acquiert de nouvelles données (mesures géophysiques, en forage, tests d’injection…) et modélise le stockage afin de bien définir et évaluer le complexe de stockage de CO2. L’opérateur conçoit également les plans de gestion des risques. Cette phase dure environ cinq ans (BOUC et al., 2012). En terme de surveillance des aquifères, cette phase correspond à l’élaboration du plan de surveillance. Il s’agit de définir les risques liés au stockage et la surveillance à mettre en place pour les maîtriser. Les mesures de la ligne de base environnementale se poursuivent, en étant toutefois allégées par rapport à la synthèse régionale (en se focalisant sur les paramètres représentatifs du contexte régional). Cette phase permet de suivre de nombreux paramètres représentatifs pour une caractérisation fine des aquifères, notamment sur les ouvrages réalisés dans le cadre de l’exploration. Il est donc recommandé de réaliser une campagne photographique sur l’ensemble des ouvrages. A partir des résultats une sélection des paramètres pertinents sera faite pour la mise en place de la ligne de base du suivi opérationnel.


Préconisation du projet CIPRES pour la ligne de base environnementale :


Synthèse régionale Exploration Aménagement Exploitation Période de

surveillance Long terme


environnementale Élaboration du plan

de surveillance Ligne de base du suivi

opérationnel Suivi

opérationnel Suivi

renforcé Suivi post-

exploitation Suivi long terme

Objectif :

Acquisition des valeurs de référence sur la variabilité régionale Sources de données :

Données existantes et prélèvements et mesures à partir des piézomètres ou puits existants Paramètres à suivre :

Paramètres de base : Niveau piézométrique pH, Eh, température, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Autres (fonction des formations et de la minéralogie du stockage et des formations de confinement) métaux traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, ...) Isotopes stables (13C 18O, 2H) et 14C Traceurs injectés avec le flux de CO2

Suivi des gaz (à ajuster selon la composition du gaz stocké ou présent dans le réservoir) : N2, Ar, H2S, Gaz co-injectés, CH4, et autres alcanes, He

Paramètres microbiologiques (biomasse, diversité, activité) Analyses exhaustives

A faire au moins une fois sur les paramètres ci-dessus Sur tous les aquifères de contrôle, aquifères d’eau potable de la zone d’emprise du stockage et sur les zones pouvant être affectées par

des déplacements de saumure Fréquence de suivi :

Suffisamment élevée pour être représentative des paramètres analysés (2 à 4 fois/an)


Fonction de la position par rapport au site de stockage, la méthode et la technologie utilisée, et la nature du milieu échantillonné et du type de mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …)

Pendant au moins deux ans A commencer le plus tôt possible, et jusqu'au démarrage de l’exploration

Densité et emplacement des points de surveillance : En fonction du site (hydrogéologie, géologie) et des puits/PZ disponibles Aquifères de contrôle et d’eau potable (ou aquifère vulnérable29) représentatifs de la zone d’étude Au minimum trois point de surveillance par aquifère à surveiller

Spécificités : Quantification de la ligne de base :

médiane : définition de la concentration de la ligne de base environnementale intervalle de la ligne de base : 2,3% à 97,7% de la population des données (95,4% de la population étant dans cet intervalle : moy +/-2σ)

29

Les aquifères vulnérables* (AEP, à l’aplomb du site de stockage, ressources exploitables pour la géothermie par ex., ...) sont identifiés par l’analyse de risques


Préconisation du projet CIPRES pour le suivi pendant l’élaboration du plan de surveillance :







opérationnel Suivi

opérationnel Suivi


exploitation Suivi long terme

Objectif

Acquisition des données nécessaires à l’élaboration du plan de surveillance Sources de données :

Données existantes et résultats de la ligne de base environnementale, acquisition de données sur les nouveaux ouvrages Paramètres à suivre :

En fonction des objectifs de la surveillance et de l’étude de risque, spécifiques à chaque site et au fluide injecté Paramètres de base :

Niveau piézométrique pH, Eh, température, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Fréquence de suivi : Suffisamment élevée pour être représentative des paramètres analysés Fonction de la position par rapport au site de stockage, la méthode et la technologie utilisée, et la nature du milieu échantillonné et du type de

mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …) Densité et emplacement des points de surveillance :

En fonction du site (hydrogéologie, géologie) et des puits/piézomètres disponibles Aquifères de contrôle et d’eau potable (ou vulnérables) identifiés dans la zone d’exploration Dans les zones pouvant être affectées par des déplacements de saumure Dans les secteurs identifiés comme potentiellement à risques (failles, puits abandonnés…), Au minimum sur un piézomètre en amont et deux en aval du futur puits d’injection


Spécificités :

Phase s’appuyant sur toutes les études préalables hydrogéologiques, géologiques… Acquisition d’un maximum de données sur le futur site de stockage et sa zone d’emprise Mise à jour à prévoir tous les 5 ans au minimum


II.2.3. L’aménagement

L’objectif opérationnel est de réaliser les équipements nécessaires à un stockage de CO2 en toute sécurité (BOUC et al., 2012). Pour cela, l’opérateur réalise les lignes de base du plan de surveillance (mesures géophysiques, physico-chimiques en puits, géochimiques et biogéochimiques, diagraphies, mesures aéroportées et satellitaires, caractérisation de l’état écologique…) et contrôle la qualité des opérations d’aménagement. L’opérateur caractérise ainsi les niveaux de référence et la variabilité des paramètres de surveillance, ainsi que la conformité des équipements. En terme de surveillance des aquifères, cette phase correspond à l’acquisition de la ligne de base du suivi opérationnel. Il s’agit de définir l’état initial (juste avant l’exploitation) et la variabilité spatio-temporelle des aquifères à surveiller dans le plan de surveillance. L’objectif de cette investigation est d’acquérir suffisamment de données qui serviront de référence pour la ligne de base et de pouvoir ensuite les comparer avec le suivi réalisé pendant l’injection de CO2. Cette phase dure au moins deux ans. Il est recommandé de prévoir une campagne de ligne de base sur tous les ouvrages alors disponibles. Il est recommandé de renouveler ce type de caractérisation régulièrement lors de l’exploitation du site de stockage. La fréquence sera déterminée en fonction de la fréquence du suivi opérationnel, de la durée d’exploration et de la variabilité naturelle.


Préconisation du projet CIPRES pour la ligne de base du suivi opérationnel :






de surveillance Ligne de base du

suivi opérationnel Suivi

opérationnel Suivi


exploitation Suivi long

terme

Objectif

Acquisition de la ligne de base opérationnelle ; les paramètres suivis, les points de surveillance et la fréquence de suivi doivent être autant que possible similaires au plan de surveillance qui sera adopté.

Sources de données : Prélèvements et mesures à partir des PZ retenus pour le suivi opérationnel

Paramètres à suivre : En fonction des objectifs de la surveillance et de l’étude de risque, spécifiques à chaque site et au fluide injecté Paramètres de base :

Niveau piézométrique pH, Eh, T, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Autres (fonction des formations et de la minéralogie du stockage et des formations de confinement) Métaux traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, ...) Isotopes stables (13C, 18O, 2H) et 14C Traceurs injectés avec le flux de CO2


Paramètres microbiologiques (bioindicateurs) Fréquence de suivi :

Suffisamment élevée pour être représentative des paramètres analysés (au moins 2 à 4 fois/an) Ne peut être inférieur la fréquence retenue pendant le suivi opérationnel


Fonction de la position par rapport au site de stockage, la méthode et la technologie utilisée, et la nature du milieu échantillonné et du type de mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …)

Pendant au moins deux ans À refaire tous les 5 ans au minimum

Densité et emplacement des points de surveillance En fonction du site (hydrogéologie, géologie) Aquifères de contrôle et d’eau potable (ou vulnérables) dans le complexe de stockage Dans les zones pouvant être affectées par des déplacements de saumure Dans les zones identifiées comme potentiellement à risques (failles, puits abandonnés…), Au minimum sur un PZ en amont et deux en aval du futur puits d’injection par aquifères à surveiller

Spécificités : Quantification de la ligne de base :

médiane : définition de la concentration de la ligne de base du suivi opérationnel intervalle de la ligne de base : 2,3% à 97,7% de la population des données (95,4% de la population étant dans cet intervalle : moyenne +/-

2 x écart-type)


II.3. L’EXPLOITATION

L’objectif opérationnel est d’injecter le CO2 au débit souhaité et d’assurer le comportement sûr du stockage. Pour cela, l’opérateur réalise la surveillance du site de stockage (mesures géophysiques, physico-chimiques en puits, géochimiques et biogéochimiques, diagraphies, mesures aéroportées et satellitaires, caractérisation de l’état écologique…), met à jour les modèles, l’analyse des risques et le plan de surveillance et signale tout incident, voire met en place des mesures correctives si besoin. L’opérateur caractérise ainsi les niveaux de risques en s’assurant qu’ils restent acceptables, et fait part à la communauté nationale et internationale de son expérience (BOUC et al., 2012). Cette phase se rapporte à la phase de fonctionnement, lorsque l'injection du CO2 dans le réservoir de stockage a lieu. L’objectif principal de la surveillance est d'assurer la sécurité de toutes les procédures liées à l'injection de fluide. La surveillance opérationnelle concerne toutes les activités d'injection de fluide. Selon (US EPA, 2013e), les tests et activités de surveillance suivants doivent avoir lieu au cours de la phase d'injection : - Analyse du CO2 injecté fournissant des informations sur la composition chimique et ses caractéristiques physiques ; - Surveillance des paramètres opérationnels : pression d'injection, débit et volume d’injection ; pression en tête de puits et pression annulaire ; - La surveillance de la corrosion des matériaux des puits d'injection (requis sur une base trimestrielle) ; - Suivi de la qualité des eaux souterraines et de l'évolution géochimique au-dessus de la(les) zone(s) de confinement, à une fréquence et une distribution spatiale spécifiques au site ; - Test de l'intégrité mécanique (au moins une fois par an) ; - Essai de chute de pression (au moins une fois tous les cinq ans) ; - Suivi de l’extension du panache* de CO2 et de la présence ou absence de pression élevée (surveillance du front de pression) ; - Surveillance de l’air de surface ou des gaz du sol en mesurant ces derniers et les concentrations de CO2 dans l'atmosphère. Les tests d'intégrité des puits, de la roche de couverture* et de la formation géologique doivent être appliqués en continu pour détecter les voies potentielles de migration générées par l'injection. En terme de surveillance des aquifères, cette phase correspond au suivi opérationnel et, si besoin, au suivi renforcé. Il s’agit, pour le suivi opérationnel, de vérifier l’état chimique des eaux souterraines pour identifier la présence de toute tendance anthropique ; et pour le suivi renforcé, d’évaluer les impacts potentiels d’une fuite avérée de CO2 (et/ou des actions de remédiation) sur les aquifères. Le suivi opérationnel doit donc être conçu de manière à ce que les tendances à la hausse significatives et durables des concentrations de polluants identifiés puissent être décelées. Il comporte plus de points de contrôle que lors de la ligne de base opérationnelle, mais moins de paramètres sont suivis. Le suivi renforcé est mis en place en cas de dépassement confirmé des valeurs seuils* (deux niveaux sont proposés : un seuil d’alerte et un seuil de déclenchement). La fréquence, la


couverture et le nombre de paramètres à suivre seront alors augmentés par rapport au suivi opérationnel. Cette phase dure de 20 à 50 ans. (US EPA, 2013e) recommande en outre que tous les puits soient tout d'abord échantillonnés sur une base minimale d’une fois par trimestre pour tous les paramètres d’intérêt. La fréquence spécifique à un projet peut aussi être déterminée sur la base de la variabilité de la composition chimique de l'eau souterraine. La fréquence d'échantillonnage doit être augmentée si les résultats de la surveillance indiquent des possibles fuites de fluides ou la mise en danger de l’aquifère à un endroit particulier. De même, la fréquence d'échantillonnage peut être réduite, si des conditions stables sont observées sur plusieurs cycles d'échantillonnage successifs. Certains paramètres, tels que la pression, la température et la conductivité électrique doivent être surveillés en permanence grâce à des capteurs dans des puits dédiés. L'UE (2009) exige en outre que les résultats du suivi soient déclarés chaque année. De plus, tout changement par rapport aux valeurs de base doit être signalé rapidement. Toute source de contamination potentielle est évaluée par l’échantillonnage de traceurs naturels ou introduits (comme le CO2 ou d'autres gaz), d’isotopes stables du carbone et de l'eau, de gaz nobles…. Une augmentation de la concentration de toute impureté du CO2 injecté (par exemple, du sulfure d'hydrogène) est indicative de la migration du CO2 injecté dans la zone de surveillance. La présence de CO2 peut également remobiliser certaines matières inorganiques (par exemple le plomb, l'arsenic, le fer, le manganèse) à partir de la matrice de formation par diminution du pH. Les tendances à la hausse de certains métaux peuvent donc également indiquer une migration de fluides profonds ayant été en contact avec le CO2 injecté.

Zoom sur les valeurs seuils* : (CHARTIER and GUYONNET, 2003) proposent une réflexion sur le type de valeurs seuils à définir et différentes méthodes de fixation des valeurs. Il est à souligner que la détermination d’une valeur seuil se fait à partir « d’une valeur de référence, constituant un niveau de qualité des eaux souterraines préalablement défini ou établi ». La référence peut être l’objectif de qualité à atteindre ou la qualité initiale (ou amont). La définition de valeurs seuils implique de définir également les actions (de surveillance ou correctives) qui seront mises en œuvre. (CHARTIER and GUYONNET, 2003) définissent ainsi deux niveaux de seuil, engendrant des plans d’action différents : - un seuil d’alerte : déterminé à partir de la qualité initiale ou en amont hydraulique, son dépassement entraîne une surveillance active ou renforcée ; - un seuil de déclenchement : déterminé à partir de l’objectif de qualité des eaux souterraines, son dépassement entraîne des investigations complémentaires ou des actions correctives. Dans le contexte de CIPRES, on propose de définir ces deux seuils à partir de la qualité initiale uniquement, étant donné que les paramètres à suivre recommandés (Tableau 5) ne sont pas tous listés dans les paramètres de la réglementation française pour les eaux brutes30. En accord avec les propositions faites par (CHARTIER and GUYONNET, 2003), il est proposé : - Pour le seuil d’alerte, un intervalle incluant 66%31 des valeurs de la ligne de base (soit la moyenne de la ligne de base +/- 1 écart type) ;

30 Arrêté du 11 janvier 2007 relatif aux limites et références de qualité des eaux brutes et des eaux destinées à la consommation humaine


- Pour le seuil de déclenchement, un intervalle incluant 95,4% des valeurs de la ligne de base (soit la moyenne de la ligne de base +/- 2 écarts types).

31

Ce seuil sera tout de fois à mettre en relation avec la variabilité des données pour s’assurer de sa pertinence en termes de fréquence de dépassement du seuil.


Préconisation du projet CIPRES pour le suivi opérationnel :


Synthèse régionale Exploration Aménagement Exploitation Période de surveillance

Long terme

Type de suivi Ligne de base environnementale

Élaboration du plan de surveillance

Ligne de base du suivi opérationnel

Suivi opérationnel

Suivi renforcé


Suivi long terme

Objectifs

Assurer le suivi opérationnel des eaux souterraines pendant l’injection de CO2 Sources de données :

Prélèvements et mesures à partir des PZ ou puits Paramètres à suivre :

Paramètres de base : Niveau piézométrique pH, Eh, T, conductivité électrique Alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Autres (fonction des formations et de la minéralogie du stockage, des formations de confinement et des risques) Métaux traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, ...)

Fréquence de suivi : Fonction de la position par rapport au site de stockage, de la méthode et la technologie utilisée, et de la nature du milieu échantillonné et du

type de mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …) (au min 1 à 2 fois par an) Densité et emplacement des points de surveillance :

En fonction du site (hydrogéologie, géologie) Aquifères de contrôle et d’eau potable (ou vulnérables) dans la zone du complexe de stockage Zones pouvant être affectées par des déplacements de saumure, Zones à risques Au minimum sur un PZ en amont et deux en aval du puits d’injection par aquifère à surveiller


Spécificités : Comparaison avec la ligne de base opérationnelle. Il doit être conçu de manière à ce que les tendances à la hausse significatives et durables des concentrations de polluants identifiés puissent

être décelées. Plus de points de surveillance que pour la ligne de base, mais moins de paramètres suivis.


Préconisation du projet CIPRES pour le suivi renforcé :



Long terme




Suivi opérationnel

Suivi renforcé


Suivi long terme

Objectif

Evaluer les impacts potentiels d’une fuite avérée de CO2 (et/ou des actions de remédiation) sur les aquifères Sources de données :


Paramètres de base : Niveau piézométrique pH, Eh, T, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Autres (fonction des formations et de la minéralogie du stockage et des formations de confinement) métaux traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, ...) Isotopes stables (13C, 18O, 2H) et 14C Traceurs injectés avec le flux de CO2


Paramètres microbiologiques (biomasse, diversité, activité) Analyses exhaustives, suivant le contexte

A faire au moins une fois sur les paramètres ci-dessus Sur les aquifères affectées par les changements de tendance

Fréquence de suivi : Hebdomadaire à mensuelle. Supérieure à celle du suivi opérationnel.


Fonction de la position par rapport au site de stockage, de la méthode et la technologie utilisée, et de la nature du milieu échantillonné et du type de mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …)

Pendant au moins la durée où les anomalies sont détectées et jusqu’à ce que la résilience confirmée Densité et emplacement des points de surveillance :

Densité supérieure au suivi opérationnel Les points de surveillance du suivi opérationnel peuvent être complétés par d’autres ouvrages existants afin de renforcer la densité de point de

surveillance dans la zone à investiguer Prévoir un programme de mesures correctives en cas de comportement anormal du stockage


II.4. PERIODE DE SURVEILLANCE APRES L’ARRET DE L’INJECTION

L’objectif opérationnel est de vérifier le comportement durablement sûr du stockage. Pour cela, l’opérateur réalise une surveillance à base de mesures géophysiques, physico-chimiques en puits, géochimiques et biogéochimiques, diagraphies*, mesures aéroportées et satellitaires, caractérisation de l’état écologique… ; il met à jour les modèles, l’analyse des risques et les plans de surveillance et de maîtrise des risques et signale tout incident, voire met en place d’éventuelles mesures correctives. L’opérateur doit ainsi démontrer l’évolution vers une situation de stabilité à long terme, et fait part à la communauté internationale de son expérience (BOUC et al., 2012). En terme de surveillance des aquifères, cette phase correspond au suivi post-exploitation. Il s’agit de suivre l’évolution des risques post-exploitation (et/ou des actions de remédiation) sur les aquifères. Cette phase dure de 20 à 50 ans. Des plans de surveillance pour la période de post-exploitation doivent être conçus avant le forage et la construction de puits. L’US EPA (US EPA, 2013a) propose un suivi post-injection des sites sur une période de 50 ans, alors que l’UE (Union Européenne, 2011b) propose une phase de pré-transfert post-fermeture d'au moins 20 ans. La vérification des risques spécifiques au site doit être mise à jour régulièrement sur la base des données opérationnelles et des observations acquises pendant cette période de fermeture du site (World Resources Institute (WRI), 2008). L'objectif principal du suivi post-exploitation est de s'assurer que le CO2 stocké se comporte comme prévu et que les puits forés gardent leur intégrité sans fuite détectable. La plupart des puits d'injection et certains puits de surveillance* peuvent, ou devraient, être bouchés et abandonnés afin de s'assurer qu'ils ne servent pas de voie de migration préférentielle de fluide vers les aquifères. La surveillance du réservoir est plus compliquée une fois les puits abandonnés, il est donc plutôt recommandé de surveiller les panaches* et fronts de pression de CO2 dans les aquifères proches au-dessus du réservoir de stockage (aquifères de contrôle). Au début de la phase de post-fermeture, les mêmes paramètres que ceux utilisés pour l'établissement de la ligne de base dans la phase de pré-injection peuvent être surveillés (US EPA, 2013b). Dans la zone d'injection, il est attendu que les pressions diminuent après la fermeture du site, réduisant ainsi le risque de fuite. Par conséquent, pendant la période de fermeture, le suivi du CO2 stocké est essentiel pour s'assurer qu'il n'y a pas de risques significatifs pour l'environnement, la santé et/ou la sécurité. Les outils et méthodes de surveillance impliquent : - le suivi par sismique 3-D et les puits de surveillance* instrumentés pour suivre la position du panache* de CO2 et les fronts de pression et pour identifier toute fuite verticale potentielle vers la surface. - l’enregistrement de la pression dans la formation géologique (et ses environs) ayant reçu l'injection de CO2, ainsi que le taux de décroissance de la pression pour confirmer que le CO2 injecté ne se déplace pas au-delà de son extension prévue. La fréquence appropriée de surveillance et de déclaration des résultats est directement influencée par les conditions spécifiques au site et peut donc changer avec le temps. Au cours de la phase initiale du suivi post-exploitation, l'eau souterraine doit être surveillée à une fréquence similaire de celle de la fin de la phase d'injection (US EPA, 2013c). La fréquence peut ensuite être réduite au


fil du temps si une démonstration peut être faite que le risque d’impact sur les aquifères diminue (par exemple par la surveillance de la pression dans le réservoir et dans les formations sus-jacentes) et que les données de surveillance sont relativement stables. Les paramètres pH et conductivité électrique doivent être surveillés en permanence comme dans les phases précédentes. (US EPA, 2013c) recommande que l'échantillonnage de fluide et le suivi de la pression pendant le suivi post-exploitation soit basé sur une série de puits de surveillance*, certains étant crépinés dans la zone d'injection, alors que d'autres le sont dans les eaux souterraines au-dessus de la zone de confinement primaire. Le nombre de puits de surveillance* utilisés diminue au cours du temps avec la diminution de la pression dans le réservoir et dans les formations géologiques sus-jacentes. Les derniers puits de surveillance* seront ensuite fermés conformément à la procédure de fermeture du site. Les techniques de surveillance à privilégier pour cette phase sont celles dont la mise en œuvre est facile et avec un bon rapport coût/efficacité (IEAGHG, 2008). Puisque le but du stockage géologique de CO2 est un confinement à long terme du CO2, l'intégrité des puits doit être garantie pendant toute la durée de vie du projet puisque ces puits pourraient servir de voies de migration potentielle du dioxyde de carbone hors de la zone de stockage, même après la fin de l’injection.


Préconisation du projet CIPRES pour le suivi post-exploitation :



Long terme




Suivi opérationnel

Suivi renforcé


Suivi long terme

Objectif

Surveillance des eaux souterraines pour garantir l’intégrité du site de stockage Sources de données :


Paramètres de base : Niveau piézométrique pH, Eh, T, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Autres (fonction des formations et de la minéralogie du stockage et des formations de confinement) métaux traces (par exemple As, Hg, Cu, Zn, ...) Traceurs injectés avec le flux de CO2


Fréquence de suivi : Fonction de la position par rapport au site de stockage, de la méthode et la technologie utilisée, et de la nature du milieu échantillonné et du

type de mesure : mesure en continu (pression, …) ou ponctuelle (échantillonnage d’eau, …) (au min 1 à 2 fois par an au début) Fonction de l’état d’avancement et de la situation du stockage Durée d’au moins 20-30 ans

Densité et emplacement des points de surveillance : Fonction de l’état d’avancement et de la situation du stockage


Points de surveillance du réseau de surveillance Spécificités :

Programme de surveillance à adapter dans le temps et l’espace en fonction de la variabilité déterminée pendant le suivi opérationnel et l’emplacement des zones vulnérables


II.5. ÉVOLUTION VERS UNE SITUATION DE STABILITE A LONG TERME

L’objectif opérationnel est de confiner le CO2 de façon permanente, en toute sécurité pour l’environnement. Une fois que les opérateurs ont démontré la non-dangerosité du site de stockage lors de la période de surveillance, ils peuvent transférer cette responsabilité à l’État. Les puits utilisés pour la surveillance post-injection peuvent alors être rebouchés et abandonnés. Cette phase se caractérise par une surveillance passive (détection de CO2 en surface, suivi de la piézométrie des aquifères exploités pour l’eau potable…). Si nécessaire, l’État devra réactiver la surveillance active et/ou mettre en place des mesures correctives. L’État doit ainsi maintenir la sécurité du site sur le long terme. (BOUC et al., 2012;World Resources Institute (WRI), 2008) En terme de surveillance des aquifères, cette phase correspond au suivi long terme. Il s’agit de suivre l’évolution des risques long terme (et/ou des actions de remédiation) sur les aquifères. Sa durée n’est pas aisément quantifiable, car elle dépend fortement du site de stockage et de son environnement : elle doit néanmoins se chiffrer en dizaines d’années


Préconisation du projet CIPRES pour le suivi long terme :







opérationnel Suivi

opérationnel Suivi


exploitation Suivi long

terme

Objectif Suivre l’évolution des risques long terme (et/ou des actions de remédiation), sur les aquifères

Sources de données : Prélèvements et mesures à partir des PZ ou puits

Paramètres à suivre : Paramètres de base :

niveau piézométrique Si nécessaire :

pH, Eh, T, conductivité électrique alcalinité, principaux anions et cations, COT Gaz : CO2 dissous, O2 dissous

Fréquence de suivi : Fonction de l’état d’avancement et de la situation du stockage (au min, conforme à la réglementation des captages AEP32)

Densité et emplacement des points de surveillance : En fonction du site (hydrogéologie, géologie) Dans les aquifères exploités pour l’eau potable Et si nécessaire : Dans un aquifère de contrôle, et les aquifères sus-jacents

32

De tous les 5 ans à quatre fois par an selon les débits exploités (Arrêté du 21 janvier 2010 modifiant l'arrêté du 11 janvier 2007 relatif au programme de prélèvements et d'analyses du contrôle sanitaire pour les eaux fournies par un réseau de distribution, pris en application des articles R. 1321-10, R. 1321-15 et R. 1321-16 du code de la santé publique)


II.6. SYNTHESE DES RECOMMANDATIONS

Le Tableau 5 regroupe les propositions de paramètres à suivre, d’après les résultats acquis dans le cadre du projet CIPRES et la littérature, pour les différentes étapes de la vie d’un stockage de CO2. En dehors de ceux détaillés dans la rubrique « paramètres de base », le choix des paramètres individuels à suivre au sein de chaque groupe se fera en fonction des contextes géologique et hydrogéologique. Ainsi, il ne sera a priori pas pertinent de suivre tous les métaux traces (mais au moins les principaux, tels que As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn). Les investigations menées au cours de la synthèse régionale et de l’exploration doivent permettre de réaliser la sélection des paramètres pertinents. Pour plus de détails, voir les fiches de synthèse précédentes.

Tableau 5 : Préconisation des paramètres à suivre au sein des aquifères dans la zone d’emprise du complexe de

stockage géologique de CO2

étapes de la vie d'un

stockage

synthèse

régionaleexploration aménagement

période de

surveillance

période

postérieure au

transfert de

responsabilité

type de suivi

ligne de base

environneme

ntale

élaboration

du plan de

surveillance

ligne de base

du suivi

opérationnel

suivi

opérationnel

suivi

renforcé

suivi post-

exploitationsuivi long terme

niveau piézométrique x

pH, Eh, T, cond.

électriqueselon contexte

alcalinité, anions et

cations majeurs, CODselon contexte

CO2 dissous, O2 dissous selon contexte

métaux traces x x x x xselon

contextehydrocarbures et

substances co-injectéesx x x

selon

contexte

composition isotopique

(12C/13C, H, O)x x x x

N2, Ar, H2S, CH4, et

autres alcanes, He, gaz co-

injectés…

x x x xselon

contexte

paramètres

microbiologiquesx x x

exploitation

paramètres

de basex x x x x x

autres


Le Tableau 6 regroupe les propositions de fréquences et durée de suivi ainsi que de la densité et la localisation du suivi, d’après les résultats acquis dans le cadre du projet CIPRES et la littérature, pour les différentes étapes de la vie d’un stockage de CO2. Ces recommandations sont à adapter à chaque site de stockage en fonction de la géologie et de l’hydrogéologie locales. Les travaux antérieurs sur la réactivité des aquifères et les travaux de modélisation réalisés dans la cadre du projet CIPRES (LIONS et al., 2015b) ont montré que selon la minéralogie et les propriétés hydrogéologiques, chaque aquifère aura sa propre réponse. Distance de surveillance La distance entre les zones à surveiller et les points de surveillance est à adapter selon la vitesse de circulation des eaux dans les aquifères qui peut être nulle pour les aquifères profonds à rapide (m/j) pour les nappes superficielles. Les distances doivent être choisies en fonction des temps de réponse de l’aquifère. Il est préférable d’être en mesure de détecter une fuite le plus rapidement possible et au plus tard dans l’année où survient l’incident. Pour cela, il est nécessaire de se baser sur les travaux d’exploration qui identifient les zones vulnérables (puits d’injection, forage abandonné, zone de faille…). Ainsi, selon la quantité de CO2 fuyard, il est possible d’envisager une distance de 25 à 500 m par rapport au point de fuite. Pour la surveillance des ouvrages tels que le puits d’injection, une distance minimale est recommandée ; l’ouvrage de surveillance doit être placé au plus près sans menacer l’intégrité de l’ouvrage à surveiller. Une distance maximale de 25 m peut être recommandée pour la surveillance d’un ouvrage. Profondeur de surveillance La modélisation a également mis en évidence une stratification de la réponse de l’aquifère selon les mouvements liés à la densité des fluides, le gaz migrant vers le toit de l’aquifère et l’eau enrichie en CO2 dissous migrant vers la base de l’aquifère, ces écoulements verticaux étant contrebalancés par les écoulements régionaux horizontaux. Ainsi, pour les aquifères d’une épaisseur supérieure à 15 m, il peut être judicieux de surveiller préférentiellement le toit de l’aquifère à proximité du point de fuite, là où s’accumule le gaz ou la base de l’aquifère où s’accumule le CO2 dissous (Lions et al., 2015b). La configuration doit également tenir compte de l’hétérogénéité verticale de l’aquifère notamment en termes de perméabilité (aquifère multicouche). Une surveillance au-dessus et au-dessous des formations moins perméables devra donc être envisagée. Ceci peut se faire via un seul et même ouvrage équipé par plusieurs niveaux de crépine ou bien par plusieurs ouvrages de différentes profondeurs. Fréquence Les travaux de modélisation ont montré un temps de réponse différent selon les paramètres surveillés en fonction des cinétiques des réactions biogéochimiques ou du pouvoir tampon de l’aquifère pour le pH. Ainsi, à proximité du point de fuite, les premiers paramètres à réagir sont le CO2 gaz et le CO2 dissous (ou l’alcalinité), le pH (lorsqu’il n’est pas ou peu tamponné). Dans le cas où le pH diminue (de plus de 0.5 unité pH), on observera simultanément le relargage des éléments mobilisés (i) par dissolution des minéraux carbonatés (par ex. Ca, Mg, Sr) et (ii) par désorption des argiles et des oxy-hydroxydes ou de la matière organique (par ex. les éléments traces). Si le pH est durablement modifié (durée supérieure à une année) on observera dans un second temps, la modification des concentrations des éléments en solution contrôlée par la dissolution cinétique des minéraux silicatés (par ex Si, K, Na). La fréquence d’échantillonnage doit également tenir compte de la vitesse de renouvellement des eaux dans la nappe. Ainsi pour des nappes profondes ayant un écoulement faible à nul, une fréquence d’échantillonnage de 1 à 2 analyses par an serait suffisante. Pour une nappe superficielle avec une forte vitesse de circulation, 6 analyses par an seraient envisageables. En moyenne, il est recommandé une fréquence de 2 à 4 analyses par an pour assurer la surveillance des eaux souterraines. Pour plus de détails, voir les fiches de synthèse précédentes.


Tableau 6 : Préconisation de la fréquence, durée de suivi et de la densité et localisation du suivi des aquifères dans la zone d’emprise du complexe de stockage géologique de CO2

étapes de la

vie d'un

stockage

synthèse régionale aménagementpériode de

surveillance

période postérieure au


type de suiviligne de base

environnementale

ligne de base

du suivi

opérationnel

suivi

opérationnelsuivi renforcé

suivi post-

exploitationsuivi long terme

Données existantes

> au suivi op.

suivi exhaustif

tous les 5 ans

> à la durée où

les anomalies

sont détectées

> 20-30 ans > 20-30 ans

à commencer le plus

tôt possible, et

jusqu'au démarrage

de l’exploration

aquifères EP ; si besoin

aquifère de contrôle

> au suivi op.

exploitation

source de

données prélèvements et mesures à partir des PZ et puits existants

≥ au suivi op.

en fonction du site (hydrogéologie, géologie) et des puits/PZ disponibles

aquifères de contrôle et vulnérables

suffisamment élevées pour être

représentatifs des paramètres

pendant au moins deux ans

densité et

localisation du

suivi

en fonction du site (hydrogéologie, géologie)

fréquence et

durée de suivi

au min. sur un point en amont et deux en aval du puits d’injection et au niveau des

zones vulnérables


La Figure 4 propose un arbre décisionnel pour la mise en place d’une surveillance des aquifères sélectionnés au sein de la zone d’emprise du complexe de stockage* de CO2. Cette proposition suit les étapes du cycle de vie d’un site de stockage géologique de CO2 et reprend les grands principes détaillés dans la Partie IV -II, p54. La révision du plan de surveillance doit avoir lieu au maximum tous les 5 à 6 ans durant les phases d’exploitation et de post-exploitation, et doit s’adapter aux données acquises (si besoin, la mise à jour aura lieu plus fréquemment).

Figure 4 : Proposition d’arbre décisionnel pour la mise en place de la surveillance des aquifères dans la zone d’emprise

du complexe de stockage géologique de CO2, avec S1 seuil d’alerte et S2 seuil de déclenchement

III. RECOMMANDATIONS SPECIFIQUES

Cette partie se focalise sur l’expérience de terrain acquise au cours du projet CIPRES, et sur les connaissances des partenaires du projet concernant la surveillance de la zone saturée et non saturée.

III.1. TECHNIQUES DE PRELEVEMENT DANS LES AQUIFERES PROFONDS

Afin de pouvoir suivre d’éventuels enrichissements en gaz dissous à la suite de fuites depuis un réservoir de stockage plus profond (mais également pour suivre la qualité de l’eau de l’aquifère étudié), il faut pouvoir procéder à des prélèvements de fluide pouvant contenir certaines espèces gazeuses à l’état dissous. Les prélèvements en pompage étant par nature assez peu adaptés (brassage du fluide parfois important) et nécessitant une mise en œuvre assez lourde en surface (et ce d’autant plus si l’on veut positionner la pompe au droit des crépines), il est préconisé de recourir à des prélèvements de fond. Dans ce type de prélèvement, un préleveur de fond est


positionné dans les crépines, au droit de l’horizon que l’on souhaite échantillonner. Le préleveur (contenant l’échantillon) est ensuite remonté en surface et transféré dans un contenant ad-hoc pour analyses subséquentes. Au contraire du pompage, pour lequel un prélèvement n’est envisagé qu’une fois un volume d’eau pompé équivalent à plusieurs volumes de forage (typiquement 3), le prélèvement de fond vise à prélever le fluide directement dans l’horizon producteur, en s’affranchissant de la purge de l’ouvrage. Toutefois, ce type de prélèvement n’est représentatif que dans le cas d’un ouvrage en bon état de fonctionnement. Comme envisagé dans le paragraphe précédent, le principal intérêt du prélèvement de fond réside dans la collecte d’échantillons non dégazés33 (pour analyse des gaz dissous), mais ce type de prélèvement permet également, bien évidemment, de collecter de l’eau pour des analyses chimiques classiques. Les deux cas seront envisagés dans les sections suivantes. Dans le cadre du projet, trois préleveurs ont été utilisés (leurs principales spécificités sont données dans (GAL et al., 2015)) : - deux préleveurs qualifiés de préleveurs de fond « classiques » (une bouteille de prélèvement est descendue à la profondeur désirée, ouverte pour permettre le remplissage du volume disponible dans la bouteille, puis remontée en surface pour permettre le transfert du fluide vers les contenants appropriés), dont un dit à griffe ; - un préleveur34 avec un mécanisme différent (descente dans l’ouvrage d’un tuyau de type bitube muni de plusieurs clapets anti-retour et utilisation en surface d’un système de mise en pression / relâchement de pression avec un gaz neutre, ce qui permet un échantillonnage en ligne sans avoir à recourir à un banc de transfert). Ces préleveurs ne sont pas commercialisés en l’état, mais ont tous été construits par leurs utilisateurs. Un aperçu des outils utilisés lors de leur mise en œuvre dans un forage captant l’aquifère de l’Albien à Bussy-en-Othe (entre 295 m et 337 m de profondeur) est fourni dans la Figure 5.

Figure 5 : Aperçu des préleveurs de fond utilisés : a) BRGM ; b) SOLEXPERTS ; c) HYDROINVEST.

Dans des conditions d’utilisation normales (forage développé), les trois préleveurs testés semblent donner des résultats similaires et corrects. La présence de bouchons de sédiments désavantage le préleveur à griffe. Le choix du préleveur à utiliser pourra se faire selon la disponibilité, les volumes nécessaires (le préleveur du BRGM n’ayant a priori pas de limite) et le besoin ou non d’associer un banc de transfert pour assurer la conservation des conditions de fond (dans ce cas, il est recommandé d’utiliser le préleveur le plus adapté/compatible au banc de transfert pour limiter au maximum le risque de contamination).

33

à la condition de respecter un protocole assez strict lors de la remontée du préleveur et surtout lors du transvasement de l'eau prélevée (rester en pression) 34

Brevet FR n°1259214 du 28/09/2012, délivré le 26/09/2014.


Le retour d’expérience du projet CIPRES montre que les prélèvements de fond pour la caractérisation des espèces dissoutes présentes en faible quantité sont souvent des opérations délicates à réaliser, surtout lorsque le transfert de l’échantillon doit s’effectuer sur site. Le risque de dégazage des échantillons prélevés est important. Néanmoins, en respectant quelques précautions, ou en réalisant des lignes de transfert spécifiques, il est possible d’atteindre une assez bonne représentativité des concentrations in-situ.

III.2. DIAGRAPHIES

Les sondes de diagraphie* recommandées pour la surveillance de la zone saturée sont celles permettant de faire les acquisitions de différents paramètres physico-chimiques (température, conductivité électrique, potentiel d’oxydoréduction, pH, oxygène dissous) en fonction de la profondeur, ou en fonction du temps (lorsque les sondes disposent de batteries pour s’autoalimenter et faire des mesures à pas de temps fixe, ou si elles sont reliées à un système d’acquisition pérenne en surface). Il est également possible d’ajouter un ou des capteurs de type électrodes spécifiques (par exemple, pour suivre une éventuelle migration d’eau saumâtre).Un capteur de pression, assurant en plus la détermination de la profondeur de la mesure, est également recommandé, notamment dans le cas de certaines électrodes qui nécessitent l’intégration d’une compensation de pression. Il existe des sondes de diagraphies* très performantes mais dont le diamètre important risque de ne pas être compatible avec celui du forage. La présence d’un cône à la base des sondes est recommandée, pour faciliter le passage des outils au télescopage de tubages (à défaut d’utiliser la classique technique du centreur). Le matériel doit être vérifié avant chaque utilisation sur site et la calibration doit être refaite si besoin. Dans le cas d’une mise en place sur une longue durée, certains capteurs peuvent dériver (notamment pH, oxygène dissous35, potentiel d’oxydoréduction ou électrodes spécifiques). Pour ces paramètres, il faudra être particulièrement vigilant sur l’interprétation des résultats. Ces sondes sont indispensables pour caractériser l’aquifère étudié sur une hauteur importante, et détecter les éventuelles circulations d’eau (les changements de tendance pouvant indiquer des anomalies ou pollutions), les zones plus précises à échantillonner...

III.3. ÉCHANTILLONNEURS PASSIFS

En complément du déploiement de sondes de diagraphie*, des dispositifs d’échantillonnage passif permettent d’accumuler des analytes36 sur une durée définie et ainsi de rendre compte d’une concentration moyenne du milieu sur une période donnée. Le suivi d’éléments traces métalliques étant privilégié, l’échantillonneur passif testé a donc été le DGT (Diffusive Gradient in Thin-film). Il s’agit d’un échantillonneur passif dit intégratif, car il accumule les analytes ciblés tout au long de son exposition dans le milieu. Ces outils ne sont pas (encore) utilisés en routine pour le suivi des eaux souterraines, a fortiori en grande profondeur. Ainsi les résultats présentés ici sont à considérer comme des tests et n’ont pas de caractère générique. Différents modèles de DGT existent suivant le type de résine utilisée pour fixer les analytes. Les DGT sont composés de plusieurs couches comprenant la résine elle-même (groupements fonctionnels sélectifs en fonction des éléments ciblés), une couche de diffusion en gel de

35

Sauf à utiliser des sondes optiques qui sont plus fiables 36

Espèce chimique recherchée, détectée et éventuellement dosée selon un protocole analytique


polyacrylamide (usuellement 0,78 mm d’épaisseur) et une membrane protectrice externe (taille de pore 0,45 µm pour les membranes en polyéthersulfone) permettant la diffusion des éléments depuis l’eau environnante vers la résine (Figure 6).

Figure 6 : schéma de principe d’un DGT.

En l’état actuel des mesures pratiquées dans le forage de Bussy-en-Othe, dans le cadre du projet CIPRES (GAL et al., 2015), il paraît sans doute prématuré de proposer directement un déploiement de DGT pour quantifier une masse d’eau profonde non connue. Néanmoins, il a été montré que les DGT :

- peuvent résister à une pression importante, - peuvent adsorber des quantités non négligeables de métaux y compris dans des zones à

faible renouvellement d’eau, - fournissent des données d’abondance relative entre éléments reproductibles dans le

temps et concordantes avec les mesures faites sur des prélèvements d’eau. En conséquence, il peut être envisagé, sur un site dévolu à un monitoring long, de pratiquer une première étude visant à déterminer le lien entre prélèvement ponctuel et accumulation sur DGT, et de l’appliquer ensuite pour les déploiements.

III.4. SUIVI DE LA QUALITE DE L’EAU

Les mesures de paramètres physico-chimiques réalisées en surface sur des échantillons prélevés dans des nappes profondes ne peuvent être représentatives que pour les paramètres indépendants des conditions atmosphériques (pH37 et conductivité électrique). Il n’est notamment pas utile de mesurer en surface la température, le potentiel d’oxydoréduction, l’oxygène dissous. Les données acquises avec les diagraphies* sont préférées. Les analyses sur les échantillons d’eau prélevés avec les préleveurs sont indispensables pour étudier la validité des résultats des DGT38 et des diagraphies*. Pour le suivi de la qualité des eaux souterraines, notamment celle des éléments traces, afin de garantir la pertinence des résultats, il est nécessaire de respecter les règles de bonnes pratiques pour le prélèvement, le conditionnement et l’analyse des eaux. Pour la description des précautions particulières à suivre, le lecteur peut se référer aux recommandations AQUAREF concernant la surveillance de la qualité des eaux souterraines (AQUAREF, 2011). Le traitement des résultats obtenus, pour garantir leur fiabilité, doit comporter le calcul de la balance ionique. Il est également recommandé de comparer les résultats avec les connaissances antérieures sur la masse d’eau étudiée. 37

Une faible variation avec la température est toutefois à prendre en compte 38

Attention, cependant, les résultats des DGT et des analyses sur des échantillons d’eau ne sont pas directement comparables. En effet, le DGT intègre sur la durée d’exposition, alors que le prélèvement de fond est ponctuel et n’a de valeur qu’au moment du prélèvement


La recommandation des éléments à suivre est détaillée au chapitre Partie IV -II, p54.

III.5. GAZ DISSOUS

La caractérisation des contenus en gaz dissous dans une eau nécessite de réaliser un prélèvement représentatif des conditions de fond sans interaction avec l’atmosphère (étape cruciale). Dans le cas d’un préleveur de fond remonté en surface à la pression du gisement, cela implique de réaliser, soit directement sur site, soit au laboratoire39, un transfert de l’échantillon pour pouvoir l’analyser ensuite, l’analyse pouvant se faire par chromatographie en phase gazeuse ou d’autres types d’analyseurs (infrarouge…). Comme ces appareils ont une gamme restreinte de fonctionnement en pression40, il peut également être nécessaire de réaliser une détente des gaz présents dans le prélèvement via un volume mort sous vide. Le mode de transfert sur site est susceptible d’être entaché d’une incertitude plus importante que celle qui prévaudrait au laboratoire. Un des préleveurs de fond testé (développé au BRGM) permet toutefois le prélèvement de gaz dissous avec une procédure de collecte sur le terrain relativement simple, puisque le fluide remonte directement en surface. Il suffit alors d’ouvrir l’ampoule de collecte (sous vide), préalablement intégrée à la ligne d’échantillonnage, pour recueillir l’échantillon. Ce préleveur ne conservant pas la pression fond de trou, il est nécessaire que le dispositif soit étanche à l’atmosphère pour prélever tous les gaz pouvant s’exsolver. Plus d’informations sont disponibles dans (GAL et al., 2015). Une fois le fluide (eau + gaz dissous) prélevé, l’ampoule est ramenée au laboratoire pour analyse (chromatographie en phase gazeuse). Les gaz dissous analysés dans le cadre du suivi de l’aquifère de l’Albien (GAL et al., 2015) sont : He, H2, CO2, H2S, CnH2n+2 (n = 1 à 6), Ar, O2, N2. De manière plus générique, il est proposé d’analyser les gaz suivants : CO2, O2

41, N2, Ar, CH4, et autres alcanes (à ajuster selon la composition du gaz stocké). En se basant sur le rapport N2/O2 (dans l’atmosphère ce rapport équivaut à 3,7), et sur les abondances de ces deux espèces, il est possible d’écarter les échantillons qui auraient été mis en contact avec l’atmosphère et donc non représentatifs de la composition en gaz dissous dans l’aquifère. Il est à noter également que très peu de laboratoires sont capables d’analyser les gaz dissous présents dans l’eau, et ceci est encore plus vrai si l’analyse est à réaliser sur un échantillon qui serait à une pression significativement supérieure à la pression atmosphérique.

III.6. SYNTHESE DES RECOMMANDATIONS SPECIFIQUES POUR LA SURVEILLANCE DE LA ZONE

SATUREE

Les Tableau 7 et Tableau 8 ci-après présentent les différentes techniques de surveillance possibles pour les mesures de qualité d’eau dans la zone saturée et précisent leurs objectifs. Ils indiquent aussi leurs avantages et leurs limites.

39

Sous réserve de pouvoir envoyer au laboratoire la bouteille de prélèvement en pression. 40

Une surpression au-delà de 1,5 à 1,7 atm est rarement tolérée par ces appareils. 41

Gaz qui n’est a priori pas présent dans les aquifères très profonds, mais dont la présence amène à être vigilant sur une contamination possible de l’échantillon.


Tableau 7 : Recommandations spécifiques du projet CIPRES pour la surveillance de la zone saturée, en fonction de la profondeur ciblée

Techniques de surveillance recommandées

Profondeur Diagraphies Échantillonneurs

/ Préleveurs Prélèvements avec pompage

Échantillonneurs passifs

<20m + - + +

20-100m + - + Fonction du taux de renouvellement de

l’aquifère

>100m + + - R&D

+ : technique recommandée - : technique moins adaptée


Tableau 8 : Recommandations spécifiques du projet CIPRES pour la surveillance de la zone saturée

Techniques de surveillance

Objectifs Avantages / points forts Limites

Préleveurs Prise d’échantillon d’eau

Conserve les conditions de fond (pression, gaz…)

Différentes tailles possibles d’échantillon (de 300mL, 1L, 12L ou illimité)

Difficulté d’atteindre de grandes profondeurs pour certains préleveurs Mesure ponctuelle

Diagraphies

Caractérisation physico-chimique des eaux (pH, O2, Eh,

T°, P), voire du milieu Détection des éventuelles

circulations d’eau, des changements de tendance, des zones à échantillonner

Permet d’atteindre de grandes profondeurs Mesures représentatives des conditions in situ

Différentes électrodes possibles selon le contexte (F-, …)

Dérive des capteurs électrochimiques en continu Adapter le diamètre des sondes au tubage

Échantillonneurs passifs

Caractérisation chimique fine d’éléments traces des eaux

Mesures intégratrices Facilité de mise en place

Recul faible sur la fiabilité des fabricants À l’étape R&D pour les grandes profondeurs

Analyse de la composition de

l’eau

Caractérisation chimique fine des eaux

Analyse exhaustive

Nécessité de prélever des échantillons aux profondeurs souhaitées

Certains paramètres non représentatifs des conditions in situ

Suivi du pH et alcalinité

Caractérisation chimique fine Marqueurs de CO2 Pas de suivi en continu industrialisé pour les grandes

profondeurs

Suivi des gaz dissous

Caractérisation chimique fine Marqueurs de CO2

Contamination possible Transférer l’échantillon sur site (réaliser des lignes de

transfert spécifiques) ou prévoir un système à demeure


III.7. SUIVI DE LA ZONE NON SATUREE (ZNS)

Les mesures gazeuses dans la zone non-saturée constituent un moyen complémentaire pour identifier et caractériser une pollution éventuelle de la nappe par une fuite de CO2 et de gaz co-injectés. Elles visent à détecter et à quantifier un dégazage éventuel, au sein de la nappe, des gaz injectés dans le réservoir de stockage et le transfert de ces gaz en phase libre dans les terrains de recouvrement*.

Les espèces dont la surveillance est recommandée sont : le CO2, certains gaz caractéristiques co-injectés avec le CO2 et, dans les cas justifiés (ex. stockage dans des réservoirs gaziers ou pétroliers épuisés), certains gaz endogènes initialement présents dans le réservoir de stockage. Pour les gaz co-injectés et endogènes, il est recommandé de viser les espèces présentant une stabilité physique et chimique suffisante pour qu’ils puissent traverser la nappe sans subir de rétention ou de modification chimique excessives (ex. CO, He, CH4 et alcanes supérieurs...).

Une mesure de la teneur en O2 peut également être associée à l’ensemble de ces investigations. Ceci permettra de prendre en compte l’influence de l’atmosphère extérieure sur la composition gazeuse dans les ouvrages de suivi et d’identifier une éventuelle arrivée importante d’autre(s) gaz ne faisant pas l’objet de mesures systématiques.

Les mesures peuvent être réalisées directement au-dessus de la nappe, via les piézomètres déjà mis en place pour le suivi des paramètres physico-chimiques en zone saturée ou via des forages spécifiques dédiés aux mesures gazeuses (« piézairs »). Ces derniers doivent atteindre les couches géologiques non saturées, directement sus-jacentes à l’aquifère et les plus propices à l’accumulation et au transfert de gaz (formations présentant une perméabilité* significative).

En fonction du contexte du site de stockage et des enjeux concernant la nappe à surveiller, les mesures peuvent avoir un caractère ponctuel et discontinu (prélèvements manuels) ou continu (station de mesures automatisées).

Dans les piézomètres, les prélèvements de gaz devront être faits le plus près possible du niveau d’eau. Concernant les piézairs, sauf une configuration géologique spécifique, les mesures gazeuses doivent cibler les parties les plus profondes des forages, soit la zone où une arrivée éventuelle de CO2 depuis la nappe aquifère est a priori la plus probable.

Les caractéristiques du tubage des ouvrages de suivi (répartition entre parties pleines et crépinées) doivent être adaptées en fonction des horizons géologiques identifiés pour le suivi des gaz.

Le tubage plein dans les parties non suivies des ouvrages devrait être de préférence cimenté et les têtes des ouvrages fermées. Ceci permet de mieux cibler les prélèvements gazeux et d’éviter l’influence directe de l’atmosphère en surface sur la composition gazeuse à l’intérieur des forages.

Le Tableau 9 ci-après présente les différentes options possibles pour les mesures gazeuses dans la ZNS et précise leurs objectifs. Il indique aussi les avantages et les limites de ces différentes options.


Tableau 9 : Options proposées pour le suivi de gaz dans la zone non saturée et leurs caractéristiques.

Techniques de surveillance

Objectifs Avantages / points forts Limites

Prélèvements gazeux ponctuels

au-dessus de l’eau dans les

piézomètres

Identifier les fuites et leur impact potentiel par le suivi

du dégazage de la nappe Gaz principaux : CO2 et O2

Éventuellement : marqueurs caractéristiques du gaz injecté (ex. : CO) ou initialement présent (ex. :

CH4)

Peu onéreux à court terme

Mesures discontinues Fréquence optimale difficile à

définir* Encombrement des ouvrages

Perturbation de la composition gazeuse par d’autres opérations

Prélèvements gazeux et analyse en

continu au-dessus de l’eau dans les

piézomètres

Suivi en continu et possibilité de

prélèvements ponctuels et d’analyse spécifique en

laboratoire

Encombrement des ouvrages Perturbation de la composition gazeuse par d’autres opérations

Nécessité d’un investissement initial et de l’entretien par la suite

Prélèvements gazeux ponctuels

dans des ouvrages spécifiques dédiés

(piézairs)

Identifier les fuites et leur impact potentiel par le suivi

de gaz dans les couches géologiques sus-jacentes à

l’aquifère Gaz principaux : CO2 et O2

Éventuellement : marqueurs caractéristiques du gaz injecté (ex. : CO) ou initialement présent (ex. :

CH4)

Mesures plus intégratrices aquifère/terrains

Pas de perturbations liées à d’autres mesures

Mesures discontinues Fréquence optimale difficile à

définir*

Prélèvements gazeux et analyse en

continu dans les ouvrages spécifiques

dédiés (piézairs)

Mesures plus intégratrices aquifère/terrains

Suivi en continu et possibilité

de prélèvements ponctuels et d’analyse spécifique. Pas

de perturbations liées à d’autres mesures

Nécessité d’un investissement initial et de l’entretien par la suite

La Figure 7 présente à titre d’exemple le principe du suivi des gaz réalisé dans des piézairs par une méthode de recirculation avec une analyse continue. Elle a été mise au point par l’INERIS et utilisée depuis une dizaine d’années sur de nombreux sites, comme dans le cadre des programmes ANR Géocarbone-Monitoring et Sentinelle (POKRYSZKA et al., 2008;POKRYSZKA et al., 2010). Elle a également été mise en œuvre sur le site expérimental de Catenoy, dans le cadre du programme ANR CIPRES (GOMBERT et al., 2014).


Figure 7 : Principe des mesures gazeuses en continu dans la zone non saturée, via un forage dédié (piézair)


Partie V - CONCLUSION


Le stockage géologique de CO2 est aujourd’hui encadré par différentes réglementations dans plusieurs pays du monde. Des guides de bonnes pratiques existent et permettent de sécuriser la filière. Cependant, les recommandations vis-à-vis de la ressource en eau souterraine, et notamment les aquifères pouvant être utilisés pour l’alimentation en eau potable, sont succinctes et se limitent à des recommandations générales. Il faut cependant souligner que ces activités souterraines sont fortement dépendantes de la géologie et de l’hydrogéologie locales, et donc qu’il n’est pas possible de faire des préconisations détaillées (en terme de paramètres à suivre, de fréquence/durée et d’implantation du réseau de surveillance) qui soient applicables pour tous les complexes de stockage* géologique de CO2. Le projet CIPRES, à travers de nouvelles expérimentations in situ et un état de l’art approfondi, a pour objectif d’améliorer les recommandations existantes en terme de méthodologie de surveillance des aquifères. Ce guide s’est donc tout d’abord attaché à résumer la réglementation et les recommandations existantes vis-à-vis des aquifères et du stockage géologique de CO2 afin de proposer une méthodologie de surveillance focalisée sur la ressource en eau souterraine, en considérant également la zone non saturée. Cette méthodologie rassemble les meilleures pratiques de surveillance générique des aquifères. Elle propose aussi, pour chaque étape du cycle de vie d’un stockage géologique :

- des paramètres de base à surveiller (niveau piézométrique ; pH, Eh, température, conductivité électrique ; alcalinité, ions majeurs, COT ; CO2 dissous, O2 dissous), recommandés pour tout aquifère dans la zone d’emprise du complexe de stockage de CO2,

- des paramètres spécifiques, qui seront à adapter selon le contexte spécifique du cas étudié (métaux, hydrocarbures, gaz, substances co-injectées, composition isotopique, paramètres microbiologiques),

- des recommandations minimales en terme de o durée : au moins deux ans pour l’acquisition de la ligne de base servant de

référence pour le suivi, o de fréquence de suivi : au moins 2 à 4 fois/an pour l’acquisition des lignes de base,

et 1 à 2 fois/an pour le suivi en exploitation, o et d’emplacement : dans l’aquifère de contrôle* et les aquifères vulnérables*.

Un arbre décisionnel pour la mise en place de la surveillance des aquifères dans la zone d’emprise du complexe de stockage* est également proposé, avec deux seuils (alerte et déclenchement du suivi renforcé) recommandés pour adapter la surveillance et réagir au mieux aux changements de tendance possible de la qualité des aquifères. Les enseignements sur les techniques de surveillance appliquées lors du projet CIPRES sont également présentés. Pour la zone saturée, les techniques sont tout d’abord comparées, avec leurs points forts et leurs limites. Les techniques de surveillance testées sont les préleveurs, les diagraphies*, les échantillonneurs passifs, les analyses physico-chimiques de la composition de l’eau et le suivi des gaz dissous. Les trois premières techniques sont également comparées en termes d’applicabilité selon les profondeurs investiguées (0-20m, 20-100m et >100m). Pour la zone non saturée, des préconisations sont données pour le suivi des gaz, qui peut être fait soit dans des piézomètres (pour suivre un éventuel dégazage d’un aquifère) ou dans des ouvrages dédiés (piézair captant la zone non saturée, pour suivre des éventuelles fuites de CO2 dans les terrains sus-jacents à un aquifère).


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