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

1. Les Hydrocarbures non-conventionnelsLes « gaz de roche-mère », les « huiles de roche mère » et les « gaz de houille » D. Bonijoly CSTI, Vanosc, le 26 novembre 2011

2. Présentation générale du BRGM • Établissement public de recherche et d’expertise (EPIC). • Certifié Qualité ISO 9001. Labellisé Carnot (recherche partenariale) • placé sous la tutelle du Ministère délégué à l'Enseignement supérieur et à la Recherche et du Ministère de l’Ecologie, de l’Energie, du Développement et Durable et de la Mer. • Deux objectifs : • Comprendre les phénomènes géologiques, développer des méthodologies et des techniques nouvelles, produire et diffuser des données pertinentes et de qualité • Mettre à disposition les outils nécessaires aux politiques publiques de gestion durable du sol, du sous-sol et des ressources, de prévention des risques naturels et des pollutions, d’aménagement du territoire • Quatre missions : • Recherche et développement technologique et innovation • Appui aux politiques publiques et information des citoyens • Coopération internationale et aide au développement  • Prévention et surveillance des anciens sites miniers L’énergie, quel choix pour demain

3. Les hydrocarbures Formation de la roche mère Hydrocarbures Conventionnels Hydrocarbures Non Conventionnels (HNC), prisonniers de la roche mère Formation des réservoirs conventionnels L’énergie, quel choix pour demain http://energy.er.usgs.gov/images/geochemistry/petroleum_compounds.png

4. Les hydrocarbures SHALE OIL SHALE GAS Les hydrocarbures conventionnels résultent de la maturation de la roche mère (en bleu), d’où migrent les hydrocarbures qui sont ensuite piégés dans des réservoirs poreux et perméables. Les hydrocarbures « non-conventionnels » (HNC) sont restés piégés au niveau de la roche mère. Si la roche mère a subit un enfouissement entre 2000 et 3000 mètres, elle produit des hydrocarbures liquides (Shale Oil), et au-delà des hydrocarbures gazeux (Shale Gas). L’énergie, quel choix pour demain Sources iconographqiues : IFPEN et Université de Laval http://www.ggl.ulaval.ca/

5. Le charbon • Formation du charbon : • quantités phénoménales de débris végétaux provenant des forêts s'accumulent dans des zones favorables, au bord de la mer ou d'une lagune. • plusieurs millions d'années sont nécessaires pour que le processus de transformation aboutisse L’énergie, quel choix pour demain Sources iconographiques : wikipedia

6. Les relations méthane - charbon Contenu en gaz des charbons Gardanne Nord Pas de Calais Lorraine Alpes Audition HNC 06/03/2010 L’énergie, quel choix pour demain

7. Maturation de la matière organique Plancton (algues) Spores Matière ligno-cellulosique L’énergie, quel choix pour demain

8. Une roche hôte particulière : les roches argileuses • Des minéraux hydrophiles aux capacités d’adsorbtion parfois remarquables • phyllosilicates L’énergie, quel choix pour demain

9. Une roche hôte particulière : les roches argileuses • Processus d’absorbtion et d’adsorbtion • Fixation et échange de cations • Les argiles, grâce à leurs propriétés électro-chimiques ,ont la capacité de : • former des complexes organo-minéraux, • piéger les éléments métalliques, • piéger les éléments radio-actifs, • piéger l’eau (gonflement) Illite L’énergie, quel choix pour demain

10. Une roche hôte particulière : les roches argileuses • Fixation des métaux lourds • dépend de la minéralogie des argiles • Sépiolite > bentonite > palygoskite > illite > kaolinite (pour le Zn) • de la variation du pH • Ex. Oklo – acidification des eaux entrainent une augmentation de la CEC des argiles - piégeage du l’U235 • dépend de la charge des argiles • Une désorption facilitée • Par un changement de pH du milieu • Par un changement de concentration de l’eau de formation • Par un changement de pression L’énergie, quel choix pour demain

11. Les hydrocarbures • Quelques définitions : • Roche mère : accumulation de matières minérales et de matières organiques • Maturation de la matière organique : transformation sous l’effet de la température de la matière organique en huile, en gaz et en charbon • Hydrocarbures conventionnels : hydrocarbures sous forme liquide ou gazeux, qui afflue naturellement à la surface lors de l’extraction (avec ou sans pompes) sans nécessiter d’autre étape de traitement ou de dilution • Hydrocarbures non conventionnels : bruts extra-lourds, bitume, sables asphaltiques et schistes bitumineux (oilfacts.ch) qui nécessite de stimuler la roche dans laquelle ils sont piégés dès la première phase d'exploitation pour obtenir une production commerciale (ifpen) L’énergie, quel choix pour demain

12. Les hydrocarbures non-conventionnels Carte des ressources mondiales en huile de roche mère Ressources mondiales : environ 390 to 460 milliards de tonnes. Europe : 16 milliards de tonnes France : 920 millions de tonne, 3ième principal détenteur après l’Italie et l’Estonie Source : An Overview of Oil Shale Resources (2010), Emily Knaus, James Killen, Khosrow Biglarbigi,and Peter Crawford in Oil Shale: A Solution to the Liquid Fuel Dilemma; Ogunsola, O., et al.; ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2010.

13. Les hydrocarbures non-conventionnels Ressourcesmondialesen gaz de roche mère Distribution des ressources potentielles en « shale gas » à l’échelle mondiale Ressource estimée à 16 112 tcf soit 456 000 milliards de m3 (US National Petroleum Concil) L’énergie, quel choix pour demain http://www.petroleum-economist.com/images/46/25529/shale1.gif

14. Les hydrocarbures non-conventionnels Carte des ressources mondiales en gaz de roche mère Ressources mondiales : environ 456 mille milliards de m3 (Tm3) dont 180 récupérables. Europe : 6,5% soit 30 Tm3 France : 5 Tm3, 2ième principal détenteur juste après la Pologne. Source :: U.S. Energy Information Administration based on Advanced Resources International, Inc. data

15. Les hydrocarbures non-conventionnels Carte des prospects de HNC en Europe Réunion de lancement 07/01/2010

16. Les hydrocarbures non-conventionnels Carte des prospects de HNC en Europe L’énergie, quel choix pour demain

17. Les hydrocarbures non-conventionnels en France Les cibles jurassiques (Toarcien…) Shale oil & Shale gas Bassin de Paris Shale oil Jura Shale gas Causses Shale oil Bassin du SE Shale gas L’énergie, quel choix pour demain www.metstor.fr

18. Les hydrocarbures non-conventionnels en France Les cibles permo-carbonifères potentielles Shale gas & Coal Bed Methane Nord Pas de Calais Lorraine bassin de Paris Sillon houiller De Blanzy à Ronchamp En jaune : gisements permo-carbonifères (-245 à -345 Ma) En vert : gisement crétacé (-70 à -76 Ma) Bassin du sud du Massif central De Brive à Alès Bassin de l’Arc (Gardanne) L’énergie, quel choix pour demain Yves Paquette – rapport des Houillères de Bassin du Centre et du Midi

19. Les HNC en France Le Lias du bassin de Paris Carte du toit des argiles du Toarcien (185 Ma) Formation géologique contenant la roche-mère « Schistes cartons » Permo Carbonifère de Lorraine Gaz de houille Coupe géologique simplifiée du bassin de Paris Position du Lias marneux et principaux aquifères Lias du bassin de Paris Huile de roche mère Position des aquifères au regard des cibles HNC Source BRGM

20. Comparaison USA - France – huiles de roche-mère Comparaison entre le potentiel Shale Oil du bassin de Paris et celui de Bakken (USA / Canada), publié par la compagnie Toreador sur son site web L’énergie, quel choix pour demain Sources : www.toreador.net

21. Les HNC en France – Le Lias du bassin du Sud-Est 0 2000 Permis d’exploration attribués en France pour les Shale Gas : Nant, Villeneuve de Berg et Montélimar. Sur le permis de Montélimar, Total annonce 85 tcf de gaz en place soit 2400 milliards de m3 (Les Echos, 28/01/2011). A titre de comparaison, la consommation annuelle de gaz en France est de 45 milliards de m3. L’énergie, quel choix pour demain Source BRGM

22. LES HNC EN France Le Lias du bassin du Sud Est Valvignères Villeneuve de Berg Balazuc 2650 m 400 m TOARCIEN Épaisseur 550m calcaire calcaire alternances argiles marnes L’énergie, quel choix pour demain Source : Documents du BRGM, Géologie Profonde de la France, 1992

23. Comparaison USA – France – gaz de roche-mère * Organic geochemistry and thermal history of the Mesozoic series of the Ardeche Margin, Disnar, J.R., (1996), Marine and Petroleum Geology ** Assessment of the Gas Potential and Yields from Shales: the Barnett Shale Model, Daniel M. Jarvie, Ronald J. Hill, and Richard M. Pollastro. in Cardott, B.J. (ed.), Unconventional energy resources in the southern Midcontinent, 2004 symposium: Oklahoma Geological Survey Circular 110, 2005, p. 37-50 L’énergie, quel choix pour demain

24. Exploiter le gaz de roche-mère par forage • Fracturation hydraulique • pour augmenter la perméabilité • acidification, fracturation hydraulique, fracturation hydraulique avec sable, autres produits pour faciliter la fracturation Les fracturations sont réalisées par injection d’un fluide sous pression. Ce fluide est composé d’eau (20 000 m3 par forage, en moyenne), d’additifs chimiques et de particules permettant de maintenir les fractures ouvertes. L’énergie, quel choix pour demain

25. Exploiter le gaz de roche-mère • Les contraintes de la technique • +/- 20 000 m3 d’eau par puits • +/- 3 million m3 d’eau requis par jour aux USA four la fracturation hydraulique • 25 puits consommeraient en eau, l’équivalent de la consommation d’une commune française de 10 000 habitants • 20 à 100 % of du fluide de fracturation est récupéré La formulation chimique varie d’un champ à un autre et d’un puis à un autre Audition HNC 06/03/2010 >25

26. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation • Risques lié à la fracturation hydraulique : • Impact quantitatif sur la ressource en eau • Besoins importants en eau : entre 8000 et • 16 000m3 par forage • Evaluer les besoins en quantité et qualité (gestion de • la ressource en fonction des contextes géographiques) • Risque: impact sur la ressource en eau • (diminution de niveau piézométrique, diminution de • débit de cours d'eau...) • Une bonne connaissance des ressources en eaux de surface ou peu profondes (B2D Ades, BDHydro, BDRHF), des modèles de gestion des ressources • Des connaissances très fragmentaires sur les eaux profondes L’énergie, quel choix pour demain

27. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation • Risques lié à la fracturation hydraulique : • Utilisation de produits chimiques : 0,5% environ, pour développer l’extension des fractures et les maintenir ouvertes • Gestion des effluents liquides et gazeux • Analyses des entrants/sortants • Risque: • Influence du fluide sur la minéralogie des roches (géochimie) • Contamination des eaux de surface et souterraines • Risques sanitaires associés aux émanations gazeuses en surface (toxicité des additifs) L’énergie, quel choix pour demain

28. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation • Risques lié à la fracturation hydraulique : • Désorption des éléments adsorbés ou absorbés par les minéraux des roches mères lors de la production du fluide de fracturation • Risque : désorption de complexes organo-minéraux, des éléments métalliques (Pb, Zn, Cu, …) et/ou d’éléments radioactifs (Uranium, radium, radon) • La désorption est facilitée • Par un changement de pH du milieu • Par un changement de concentration de l’eau de formation • Par un changement de pression Illite L’énergie, quel choix pour demain

29. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation Risque liés à la fracturation hydraulique (suite): Déformation du massif (augmentation ou retrait sous l'effet de la pression) Risque : déformation en surface L’énergie, quel choix pour demain

30. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation • Risque liés à la fracturation hydraulique (suite): • Sismicité induite • Sismicité résultant de la fracturation • hydraulique très faible (nécessite des capteurs à haute sensibilité) • Sismicité de magnitude 1 à 2,5 induite par l’injection de saumure • Risque : réactivation de fractures existantes résultant de la modification locale des contraintes tectoniques L’énergie, quel choix pour demain

31. Impacts et risques spécifiques de l'exploitation • Risques liés aux installations de surface : • Installations similaires à l'extraction conventionnelle (moyens de forage, collecte de gaz, installations de stockage de gaz et de fluides...) • Installations spécifiques : • Installations de stockage, de mélange (eau+sable+réactifs) et d'injection d'eau sous haute pression • Installations de récupération, de stockage et de traitement de « l'eau usée » • Nuisances • Nuisances sonores • Circulation d'engins • Pollution air • Impact paysager • Pression foncière et prix de l’immobilier • Limitation de l'usage des terrains de surface L’énergie, quel choix pour demain

32. Scénario dégradé • Augmentation de la pression sur l’eau • Fuite de gaz ou d’eau de gisement dans un aquifère superficiel via les forages • Équipent de traitement des eaux inadapté • Fuite de gaz ou d’eau de gisement par failles • Sismicité induite inattendue >32

33. Conclusion • La France dispose d’un grand nombre de formations géologiques aptes à produire • De l’huile ou de gaz de roche mère • Du gaz de houille • Le potentiel existe mais • Les ressources ne sont pas connues • Elles ont été estimées à partir d’un très petit nombre de données de forage • Quant au calcul des réserves, celui-ci est du domaine des travaux d’exploration L’énergie, quel choix pour demain

34. Conclusion • Un éventuel déploiement de la technologie de production des Gaz et Huiles de schiste nécessite de : • Identifier les enjeux environnementaux, en termes notamment de disponibilité et de vulnérabilité des ressources en eau ; • Établir les scénarios-type à considérer (évolution normale / altérée) sur des cas théoriques représentatifs de chaque bassin (en priorité les zones où ont été déposées des demandes) • Réaliser un inventaire des mesures de maîtrise du risques disponibles • Proposer des préconisations sur les modalités d’études des impacts et des risques dans les documents réglementaires à fournir par les opérateurs (phase d’exploration et d’exploitation) L’énergie, quel choix pour demain

35. Conclusion • Bénéfices: • Emplois directs (ex. état de New York : environ 30.000 emplois) • Revenus fiscaux (ex. état de New York : 185 millions de US$ • Coûts • coûts environnementaux (Analyse du Cycle de Vie) • Impacts sur les émissions de gaz à effet de serre L’énergie, quel choix pour demain