Note GHRM Maitrise Des Risques Et Impacts

Matrise des impacts et risques lis lexploitation des hydrocarbures de roche-mre : enjeux, verrous et pistes de rechercheRapport FinalBRGM/RP-60312-FR Septembre 2011tude ralise dans le cadre de la Convention MEDDTL BRGM n 2100498545 L. de Larya, H. Fabriola, I. Morettib, F. Kalaydjianb, C. DidiercAvec la collaboration de a a b a a a a M. Azaroual , Y. Barthlmy , Y. Benoit , D. Bonijoly , D. Seyedi , N. Dorfliger , P. Negrel , J. a a a b Perrin , O. Serrano , R. Vernier , R. Viallya

BRGM, IFP Energies nouvelles, INERIS

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Vrificateur :Nom : O. Bouc Date : 03/10/2011

Approbateur :Nom : H. Modaressi Date :

7/10/2011

Signature :

Signature :

En labsence de signature, notamment pour les rapports diffuss en version numrique, loriginal sign est disponible aux Archives du BRGM. Le systme de management de la qualit du BRGM est certifi AFAQ ISO 9001:2008.I

M 003 - AVRIL 05

Maitrise des impacts et risq ques lis lexploitation des hydrocarbur de roche-m s res mre.

Mots cls : hydrocarbures de roche e-mre, impa acts, risques, MEDDTL

En bibliogra aphie, ce rap pport sera cit de la faon suivante : n L. de Lary, H. Fabriol I. Moretti, F. Kalaydj ian, C. Didi l, ier. (2011) Matrise des impacts et M s risques lis lexploita s ation des hy ydrocarbures de roche-m mre : enjeux verrous e pistes de x, et recherche. B BRGM/RP-6 60312-FR.

BRGM, 2011 ce document ne peut tre reproduit en total it ou en partie sans lautorisat 1, tion expresse du BRGM. u

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BRGM/RP-60312-FR R Rapport Final

Maitrise des impacts et risques lis lexploitation des hydrocarbures de roche-mre.

SynthseLa loi n2011-835 du 13/07/11 interdit lexploration et lexploitation des hydrocarbures par fracturation hydraulique et abroge les permis de recherche ayant recours cette technique. Cette loi cre en son article 2, une Commission nationale dorientation de suivi et dvaluation des techniques dexploration et dexploitation des hydrocarbures qui a notamment pour objet dvaluer les risques environnementaux lis aux techniques de fracturation hydraulique et dmettre un avis public sur les conditions de mise en uvre des exprimentations, ralises seules fins de recherche scientifique sous contrle public. La prsente note, issue dun groupe de travail initi par le MEDDTL avant la promulgation de la loi 2011-835, fait suite aux prconisations du rapport intermdiaire du Conseil gnral de l'industrie, de l'nergie et des technologies et du Conseil gnral de l'environnement et du dveloppement durable (CGIET/CGEDD, 2011). Elle a aussi pour finalit de nourrir les travaux de la Commission nationale dorientation de suivi. Dans ce cadre, la prsente note analyse les spcificits des techniques dexploration et dexploitation des gaz et huiles de roche-mre (GHRM) en ce qui concerne les impacts potentiels sur lenvironnement ainsi que les risques. Elle a pour objectifs : didentifier les enjeux environnementaux et les risques lis lexploitation des GHRM ; de proposer des actions de recherche scientifique permettant dexaminer les diffrents risques poss par cette technique et dexaminer sil est possible de lever des verrous existant aujourdhui.

Des lments de contexte encadrant la rflexion sont prsents en dbut de note. A ce titre, les caractristiques de lexploration et de lexploitation des hydrocarbures de roche-mre sont voques. Une brve tude bibliographique des proccupations environnementales qui ont merges aux Etats-Unis en raison des activits dextraction des GHRM est ralise. A ce propos, uniquement des sources officielles ont t consultes. De plus, la comprhension du milieu gologique constitue un prrequis indispensable toutes rflexions sur les risques lis lexploitation des hydrocarbures de roche-mre. Ainsi, une partie intermdiaire de la note se focalise sur lanalyse des manques de connaissances dans ce domaine et sur les actions de recherche scientifiques envisageables pour apporter des rponses aux questions souleves. Sur la base des lments prcdents, la note apprhende les risques et les impacts potentiels sur lenvironnement. Des actions de recherche scientifique sont proposes pour analyser en dtail les risques ou impacts voqus ou pour examiner la possibilit de lever des verrous scientifiques ou technologiques mis en vidence. Les mesures de maitrise du risque sont aussi intgres dans la rflexion.

BRGM/RP-60312-FR Rapport Final

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Lensemble des enjeux, des verrous et des pistes de recherche associes est prsent sous forme de tableau de synthse. Parmi ces sujets, dix ont t identifis comme prioritaires , pour lesquels les recherches scientifiques correspondantes pourraient tre dbutes dans le court terme afin de progresser dans la connaissance des risques et impacts. Ces dix sujets sont : Analyse dtaille de retours dexprience. Rfrentiel commun danalyse des risques permettant dencadrer des actions de recherche scientifique. Bilan environnemental global avec une attention particulire sur leau et les gaz effet de serre. Comparaison avec les autres sources d'nergie. Toxicit et co-toxicit des additifs. Cartographie de la zone affecte par la fracturation hydraulique. Capacit de dtection des additifs et mise en uvre pratique sur le terrain. Etude des lments risque que les roches-mres franaises pourraient relarguer suite lopration de fracturation hydraulique. Inventaire rapide des aquifres profonds qui pourraient tre utiliss comme ressources en eau et/ou qui pourraient tre affects par une exploitation de GHRM situe proximit. Utilisation partage du sous-sol. Acquisition de lignes de base.

Conformment la loi n2011-835 du 13/07/11 les actions de recherches scientifiques mentionnes dans cette note ne pourraient tre envisages que dans le cadre mis en place par la Commission nationale dorientation de suivi et dvaluation.

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Sommaire1. Prambule .................................................................................................................9 2. Rappel du contexte .................................................................................................11 2.1.BREF HISTORIQUE DES GAZ ET HUILES DE ROCHE-MERE ......................11 2.2.METHODES DEXPLORATION-EXPLOITATION .............................................13 2.3.RETOUR DEXPERIENCE NORD-AMERICAIN EN MATIERE DE FRACTURATION HYDRAULIQUE DANS LE CADRE DE LEXPLOITATION DES HYDROCARBURES DE ROCHE-MERE ..................................................15 2.4.PRINCIPALES CONCLUSIONS TECHNIQUES DU RAPPORT PROVISOIRE CGIET/CGEDD ..................................................................................................19 3. Comprhension du milieu gologique .................................................................21 3.1.ROCHE-MERE ..................................................................................................21 3.2.MILIEU ENCAISSANT .......................................................................................26 3.3.ETAT DE CONTRAINTE - FAILLES - FRACTURATION NATURELLE ............27 3.4.CONNAISSANCE DE LA RESSOURCE EN EAU.............................................28 4. Identification des risques et nuisances ................................................................31 4.1.LA FRACTURATION HYDRAULIQUE ..............................................................31 4.2.UTILISATION DE PRODUITS CHIMIQUES (INVENTAIRE, TOXICITE) ..........40 4.3.IMPACTS POTENTIELS SUR LA QUALITE DE LEAU ....................................42 4.4.TRAITEMENT ET DEVENIR DES EFFLUENTS ...............................................44 4.5.NUISANCES POUVANT RESULTER DES PHENOMENES DE SISMICITE INDUITE ............................................................................................................45 4.6.MIGRATION NON MAITRISEE DE GAZ VERS LA SURFACE ........................47 4.7.ANALYSE DES RISQUES LIES AUX INSTALLATIONS DE SURFACE ..........48 4.8.IMPACTS ET NUISANCES DE LEXPLOITATION SUR LENVIRONNEMENT49


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4.9.BILAN ENVIRONNEMENTAL GLOBAL ............................................................ 52 5. Matrise des risques : bilan des pratiques actuelles .......................................... 57 5.1.METHODOLOGIE DE LEVALUATION DES RISQUES ................................... 57 5.2.GESTION INTEGRE DE LEXPLOITATION ................................................... 58 5.3.SURVEILLANCE (METHODES, LIGNES DE BASE, QUANTIFICATION) ....... 62 5.4.MESURES CORRECTIVES ET DE REPARATION .......................................... 68 6. Programme de recherche ...................................................................................... 71 6.1.LISTE DE SUJETS DE RECHERCHE .............................................................. 71 6.2.SELECTION DE SUJETS DE RECHERCHE PRIORITAIRES ................... 79 7. Glossaire ................................................................................................................. 89 8. Rfrences .............................................................................................................. 91

Liste des illustrationsIllustration 1 - A gauche: carte des bassins susceptibles de contenir des gaz de roche mres aux USA GWPC and ALL Consulting (2009). A droite en haut progression de la production de gaz non conventionnels au USA, la part prdominante vient des rservoirs faiblement permables mais les gaz de schiste sont en augmentation trs rapide depuis 2007. Le pourcentage se rapporte la production totale de gaz du pays.A droite en bas: estimation de la croissance puis du dclin de la production de gaz de schiste sur les bassins nords amricains. Actuellement les Barnett Shale sont les plus prolifiques mais on attend une monte en puissance du bassin d'Haynesville (Nord-est Texas) et Marcellus l'Est du pays. ............................................................................ 12 Illustration 2 - A gauche chelle d'observation selon les appareils. A droite photographie au MEB de la porosit nanomtrique dans les argiles des Barnett shale (Loucks et al., 2009). La partie gris fonce est la matire organique, la partie gris clair la matrice minrale qui la contient. ............................................................................................................... 24 Illustration 3 - Passage dun ordre absolu un ordre relatif dans la succession verticale des entits du rfrentiel hydrogologique V2 (Seguin, 2009). .................................................. 29 Illustration 4 - La distance entre drain horizontal dpend du rayon effectif de la fracturation hydraulique (Tyndall Center, 2011). ......................................................................... 32 Illustration 5 - Cartographie de la zone affecte par la fracturation hydraulique (Zoback et al., 2010). ................................................................................................................................. 33

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Illustration 6 - Cartographie des microsismes lors d'une fracturation hydraulique. (Source: Oilfield Service Company). ............................................................................................ 33 Illustration 7 - Modlisation de la propagation d'une fracture (Source : Chesapeake). ............... 34 Illustration 8 - Histogramme Frquence-Magnitude des microsismes (Zoback et al., 2010). ........................................................................................................................................... 45 Illustration 9 Valeurs plausibles pour les missions additionnelles gnres par les gaz de roche-mre (par rapport aux gaz conventionnels) daprs Tyndall Center (2011). .......................................................................................................................................... 53 Illustration 10 Exemple de recensement de risques potentiels des diffrentes phases d'exploitation d'un rservoir GHRM, des normes et des contraintes rglementaires. Ce tableau nest pas exhaustif........................................................................................................... 60 Illustration 11- Synthse des sujets de recherche proposs dans la prsente note. .................. 78

Liste des annexesAnnexe 1 - Propos sur la pertinence dune analyse intgre des risques ................................... 95


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1. PrambuleLa loi n2011-835 du 13/07/11 interdit lexploration et lexploitation des hydrocarbures par fracturation hydraulique et abroge les permis de recherche ayant recours cette technique. Cette loi cre une Commission nationale dorientation de suivi et dvaluation des techniques dexploration et dexploitation des hydrocarbures qui a notamment pour objet dvaluer les risques environnementaux lis aux techniques de fracturation hydraulique et dmettre un avis public sur les conditions de mise en uvre des exprimentations, ralises seules fins de recherche scientifique sous contrle public. La nomination, les modalits de fonctionnement et les missions seront prcises par dcret. La prsente note constitue le livrable dun groupe de travail regroupant BRGM, IFPEN et INERIS sur la problmatique des risques potentiels lis l'exploration et la production des gaz et huiles de roche-mre (GHRM), initi par une demande conjointe du Directeur Gnral de la Prvention des Risques, du Directeur Gnral de lEnergie et du Climat et du Directeur Gnral de lAmnagement, du Logement et de la Nature en date du 22 mars 2011. Cette commande est donc antrieure la promulgation de la loi n2011-835 du 13/07/11. Le groupe de travail sest runi quatre fois entre le 28 avril et le 8 septembre 2011, sous la prsidence du Bureau Sol et Sous-sol de la Direction Gnrale de la Prvention des Risques. Cette note analyse les spcificits des techniques dexploration et dexploitation des gaz et huiles de roche mre en ce qui concerne les impacts potentiels sur lenvironnement ainsi que les risques. Elle a pour objectif : didentifier les enjeux environnementaux et les risques lis lexploitation des GHRM; didentifier les verrous scientifiques et technologiques concernant la maitrise des risques et les impacts potentiels sur lenvironnement ; de proposer des actions de recherche scientifique permettant dexaminer les diffrents risques poss par cette technique et sil est possible de lever des verrous existant aujourdhui.

La prsente note fait suite aux prconisations du rapport intermdiaire du Conseil gnral de l'industrie, de l'nergie et des technologies et du Conseil gnral de l'environnement et du dveloppement durable (CGIET/CGEDD, 2011) qui recommande de lancer un programme de recherche scientifique sur les risques et les impacts environnementaux de lexploitation des hydrocarbures par fracturation hydraulique. De plus, cette prsente note a aussi pour objectif de nourrir les travaux de la Commission nationale dorientation de suivi et dvaluation institue larticle 2 de loi n2011-835 du 13/07/11.


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Conformment la loi n2011-835 du 13/07/11 les actions de recherches scientifiques mentionnes dans cette note ne pourraient tre envisages que dans le cadre mis en place par la Commission nationale dorientation de suivi et dvaluation.

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2. Rappel du contexte2.1. 2.1.1. BREF HISTORIQUE DES GAZ ET HUILES DE ROCHE-MERE Caractristiques d'un systme ptrolier et gazier

Une roche-mre rsulte de laccumulation de matires minrales (en gnral des argiles) et de matires organiques (plantes, planctons, animaux) qui se dposent au fond des lacs et des ocans. Sous leffet de la subsidence, cette roche-mre est enfouie progressivement, la matire organique se transforme alors en krogne, puis en huile et en gaz. Plus lgers que l'eau, les hydrocarbures peuvent tre expulss de largile et migrer vers la surface. Mais, en raison, entre autres de la faible permabilit des roches, une partie non ngligeable ne sera jamais extraite de la roche-mre. Cest cette fraction qui constitue les gaz et huiles de roche-mre (GHRM). Dans le sous-sol, tout lespace poreux est occup par de leau. Si une fraction des hydrocarbures est expulse de la roche mre, elle migrera alors vers la surface puisque les hydrocarbures sont plus lgers que l'eau. Au cours de cette migration, ces hydrocarbures peuvent tre retenus par une roche impermable dans une structure dont ils ne peuvent plus sortir et que les gologues ptroliers nomment pige. Si les hydrocarbures saccumulent dans une roche disposant dune bonne porosit, lensemble roche-hydrocarbure constitue un rservoir ptrolier classique. Si la roche est peu permable, on parle alors dun rservoir "tight" et leur exploitation est alors considre comme non conventionnelle car ne pouvant pas utiliser les mthodes classiques. Une des mthodes couramment utilise pour augmenter la permabilit des roches consiste en particulier crer une permabilit artificielle par fracturation hydraulique. Dans la roche-mre, la transformation thermique de la matire organique va gnrer d'abord une majorit dhydrocarbures liquides, puis de plus en plus de gaz. La proportion de l'un et de l'autre dpend du type de matire organique ; l'extrme limite, les roches charbonneuses, trs pauvres en hydrogne, ne gnrent que du gaz. Si la temprature de la roche encaissante augmente, les hydrocarbures liquides continuent leur volution et se transforment en gaz.

2.1.2.

Gaz et huiles de roche-mre (GHRM)

Ce sont donc les hydrocarbures retenus dans la roche-mre o ils ont t gnrs. Avec quelques subtilits : (1) l'huile initiale peut tre transforme en gaz si la temprature volue, ce gaz se mle alors au gaz directement issu de la roche-mre, (2) des bactries peuvent se nourrir de matire organique ou de ptrole liquide et rejeter du mthane ce gaz dit biognique est parfois exploitable.


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L'accumula ation se fait dans la po t orosit mais aussi par adsorption du gaz sur la matire s r organique et, en plus petite quan ntit, sur les argiles elles-mmes. Le volume de roches e mre est s norme, bie suprieu au volum des pig qui con en ur me ges ntiennent les rserves convention nnelles d'hy ydrocarbures. Les volum estim de gaz en place son donc eux mes s n nt aussi cons squents et ont chang les perspe ectives des ressources rcuprab s bles de gaz disponibles pour le si s cle venir r.

Illustration 1 - A gauch carte des bassins sus n he: s sceptibles de contenir de gaz de roc mres e es che aux USA G GWPC and A Consultin (2009). A droite en ha progressi de la pro ALL ng aut ion oduction de gaz no conventio on onnels au US la part pr SA, dominante vient des rs servoirs faibllement perma ables mais le gaz de sc es chiste sont en augmentat n tion trs rapid depuis 20 de 007. Le pourcentag se rapport la production totale d gaz du pa ge te de ays.A droite en bas: estim e mation de la croissance puis du dc de la prod e clin duction de g de schiste sur les bas gaz e ssins nords a amricains. Actuell lement les B Barnett Shale sont les plu prolifiques mais on atte une mon us end nte en puis ssance du ba assin d'Haynesville (Nord d-est Texas) et Marcellus l'Est du pa s ays.

L'exploitati ion des gaz de rochez -mre a d marr ds le XIXme sicle, mais elle s'est s s acclre partir de 2005. A peu prs tous les bassins sdimentaires nord-a s amricains erns, du T Texas la frontire ca anadienne (Illustration 1). L'huile de rochesont conce mre est e essentiellem ment produit dans le b te bassin de Williston (For W rmation Bak kken) et ce depuis une quinzaine d'annes. Actuellem ent, vu le prix lev de l'huile e faible du e e d et gaz, beauc coup d'oprateurs pro oduisent de prfrence les zones o huile e gaz sont e et prsents. Tous les p pays qui ont une rochet -mre matu ont des ressources : les USA mais aussi ure a le Canada et lArgent tine, la Polo ogne, la Fra ance (et ailleurs pour l'Europe), la Chine et en Afrique. Pour la pro oduction, se euls les Eta ats-Unis son concerns actuellem nt ment.

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2.2. 2.2.1.

METHODES DEXPLORATION-EXPLOITATION Exploration: estimation du potentiel d'une zone

Pour tre intressantes, les roches-mres doivent tre: initialement trs riches en matire organique ; dans la bonne fentre de maturit ; assez paisses pour pouvoir tre exploites. Il faut de plus que l'on puisse crer une permabilit artificielle par fracturation hydraulique et pour ce faire que la minralogie et les proprits ptrophysiques de la roche-mre rpondent certains critres de fracabilit (aptitude dune roche tre fracture de manire artificielle). Par ailleurs l'conomie du systme est rechercher entre les cots d'exploration et la productivit des puits. Ceci rduit les zones conomiquement explorables celles qui remplissent les critres prcdents et sont situes terre avec une rosion post maturation qui a remont la roche-mre une profondeur moindre (environ entre 500 et 3000 mtres). Dans la phase d'exploration les oprateurs cherchent aussi connatre toutes les failles du secteur d'tude et les fractures naturelles. Ils dterminent galement le champ de contrainte pour s'assurer de la stabilit des puits et de l'interconnexion entre les fractures naturelles et celles qu'ils vont ensuite chercher crer pour augmenter la permabilit. Aprs une phase de collecte des donnes antrieures, les oprateurs ont besoin d'un certain nombre de puits dexploration pour prlever des chantillons de roche dans le sous-sol et mesurer tous les paramtres indispensables. Le nombre de ces puits est suprieur celui dun gisement traditionnel. D'une part, parce que la zone potentiellement exploitable est plus grande et, d'autre part, parce quil faut dfinir l'htrognit des roches une chelle o l'interprtation des images sismiques et de ses anisotropies n'est pas encore compltement oprationnelle. Pour ce faire, on doit acqurir et modliser plusieurs types de donnes: Analyse lithologique des carottes, des dblais et des cuttings1; Teneur en matire organique de la roche-mre ; Caractristiques ptro-physiques des roches (porosit, permabilit...) ; Caractristiques physico-chimiques des roches (capacit dchange cationique des argiles), adsorption, dsorption, absorption, ; Mesures par diagraphies et par imagerie dans les puits ; Contraintes in situ; Mesures gophysiques entre puits, et/ou puits-surface. A la suite de cette phase une estimation des hydrocarbures en place peut tre faite. Des tests de fracturation hydraulique et des tests de production permettent de plus une

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Cf. Glossaire


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estimation du taux de rcupration et donc des ressources rcuprables. La validation du potentiel rel de la zone peut alors se faire et l'oprateur prend la dcision ou non d'exploitation, en fonction de l'conomie du systme.

2.2.2.

Exploitation

A la suite des tudes de la phase d'exploration, si la dcision de mise en production est prise, les ingnieurs rservoirs dfinissent alors larchitecture des puits dexploitation : Position des puits dans les zones les plus favorables

Ces dcisions sont prises en fonction de la richesse de la roche-mre, de sa ptrographie mais aussi de la possibilit de raliser les fracs (les oprations de fracturation hydraulique). Sont prises en compte en particulier la distance aux failles, l'absence d'aquifre, l'absence de zone karstique et loccupation des sols. Une sismique 3D peut savrer ncessaire cette tape. Nombre de puits et dports horizontaux

On recherche systmatiquement minimiser l'impact au sol et donc de nombreux puits sont fors partir de la mme plateforme. Du fait des grands dports horizontaux possibles actuellement (jusqu' 5 km), des bouquets jusqu une quinzaine de puits peuvent tre fors de la mme plateforme. Lorientation des puits est ajuste en fonction de la gologie, de la contrainte rgionale et de lorientation du rseau des fractures naturelles de faon optimiser la production tout en assurant la stabilit du rseau de fractures cre par fracturation hydraulique. La technique du forage horizontal permet daugmenter la distance entre les plateformes de forage qui peuvent tre maintenant loignes de prs d'une dizaine de kilomtres et ainsi den rduire le nombre. Comme la permabilit est faible, la zone de drainage est limite et par consquent la productivit des puits est faible par rapport ceux d'un gisement classique. Fracturation hydraulique2

La fracturation hydraulique consiste crer des fractures dans la roche-mre en injectant de grands volumes de fluide (eau + sable + additifs chimiques) sous forte pression entre obturateurs (packers3), de manire augmenter la permabilit et drainer en retour les GHRM. Cette injection de fluides sous fortes pressions entrane

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La fracturation hydraulique ne doit pas tre confondue avec la stimulation hydraulique utilise par exemple en gothermie haute enthalpie, o un rseau naturel de fractures situ grande profondeur (plus de 5 000 m Soultz, en Alsace) est stimul pendant plusieurs semaines de faon crer un changeur thermique souterrain cf. Glossaire.

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une perturbation du milieu proximit du puits qu'il est indispensable de bien contrler. Cette tape dure dun deux jours. La composition du fluide de frac, la nature des agents de soutnement (proppants), la position des fracs le long du puits et le nombre de fracs sont ajusts au mieux en fonction de ltat de contrainte local, de la fracturation naturelle, de l'paisseur de la zone fracturer et de la rhologie de la roche. Production

Les puits sont ensuite mis en production. Pour ce faire, il est dabord ncessaire de repomper le fluide inject. En fonction de la nature de la roche mre, seule une partie du fluide est immdiatement rcupre (de 30 60%). Ce fluide ncessite un stockage et un traitement spcifiques. Pendant toute la dure de la production, le fluide produit est un mlange deau et dhydrocarbures qui est spar en surface. Courbes de production

La dure de production d'un puits reste une grande incertitude. Par exprience, la dcroissance de la production des puits est exponentielle. Aprs 5 ans, les productions sont gnralement trs faibles. Elle s'estime encore essentiellement par comparaison avec les puits voisins. De gros efforts de recherche, en particulier via des marqueurs gochimiques sont en cours. Traitement du gaz

La rtention et l'adsorption des hydrocarbures dans les roches-mres dpendent de leur composition chimique. Dans lensemble des produits gnrs lorigine par une roche-mre certains seront plus facilement expulss que dautres. Cela cre une diffrence entre les gaz restant en place (qui pourront tre produits comme GHRM) et ceux qui ont migr vers les piges conventionnels.

2.3. RETOUR DEXPERIENCE NORD-AMERICAIN EN MATIERE DE FRACTURATION HYDRAULIQUE DANS LE CADRE DE LEXPLOITATION DES HYDROCARBURES DE ROCHE-MERE

2.3.1.

lments de contexte

Deux lments de contexte mritent dtre souligns concernant les expriences nordamricaines de fracturation hydraulique dans le cadre de lexploitation des GHRM : Premirement, le nombre consquent de puits fors chaque anne aux tatsUnis. LEnvironment Protection Agency (EPA, 2010b) estime quenviron 10 000 puits de gaz avec fracturation hydraulique ont t raliss au total au cours de


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lanne 2007. Daprs une tude ralise sur le bassin dalimentation en eau potable de New York (NYC DEP, 2009a), une opration individuelle de fracturation hydraulique entrainerait des risques de nuisances relativement faibles. Cependant, si on prend en compte une densit doprations et un rythme de dveloppement gaux ceux des formations les plus exploites, le risque cumul de dgradation de la qualit de leau potable de la ville de New York pourrait devenir significatif (NYC DEC, 2011 ; NYC DEP, 2009a). Deuximement, la rglementation. La rglementation fdrale impose peu de contraintes aux oprateurs. En effet, de nombreuses exemptions aux lois fdrales existent en ce qui concerne lexploitation de gaz et la fracturation hydraulique (NYC DEP, 2009a). Les activits de fracturation hydraulique sont principalement rglementes au niveau des Etats (EPA, 2011 ; GWPC et ALL Consulting, 2009). Or, dun Etat lautre, les exigences de la rglementation semblent contrastes. Certains tats (Colorado, Nouveau-Mexique, NewYork) ont t amens ajouter des exigences supplmentaires lors des demandes de permis afin de mieux tenir compte d'enjeux environnementaux (NYC DEP, 2009a ; NYC DEP, 2009b). Des exigences supplmentaires sont parfois imposes au niveau local par les conts, les villes, les tribus ou encore les instances responsables de la gestion de leau au niveau rgional (GWPC et ALL Consulting, 2009).

En ce qui concerne la situation nord-amricaine, une des difficults majeures rencontre est laccs aux donnes permettant dexploiter le retour dexprience4.

2.3.2.

Principales proccupations environnementales voques et manques de connaissances souligns

Cette partie est une brve tude bibliographique des proccupations environnementales qui ont merg aux Etats-Unis en raison des activits dextraction dhydrocarbures de roche-mre. Elle sappuie uniquement sur des sources officielles. Impacts quantitatifs sur les ressources en eau. La grande quantit deau consomme par les oprations de fracturation hydraulique a pu mener des impacts quantitatifs sur la ressource. Ces impacts sont principalement dus des insuffisances de la rglementation en ce qui concerne les prlvements deau (NYC DEP, 2009b). Par exemple, en l'absence de contrles, on rapporte que plusieurs cours deau ont t asschs (NYC DEP, 2009a). Il convient de remarquer que l'impact quantitatif dpend des ressources de chaque bassin versant, des autres usages, des politiques de gestion de leau... Il est donc difficile de transposer cette situation dautres contextes (la France). De plus, aux tats-Unis, les modalits de gestion des prlvements deau sont contrastes dun bassin versant lautre et/ou dun Etat lautre. Par exemple,

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http://coloradoindependent.com/88519/natural-gas-industry-keeping-water-testing-data-fromresearchers

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dans certains endroits, les prlvements doivent tre approuvs par une commission alors que dans dautres, seul le bilan des quantits prleves est ncessaire (NYC DEP, 2009b). Pollution de leau par migration de fluides en sub-surface. Il existe des exemples de pollutions reconnus officiellement comme tant lis l'exploitation des gaz de roche-mre (e.g. COGCC, 2004 ; Ohio Department of Natural Resources, 2008 ; PA DEP, 2009). Ces cas sont le plus souvent dus des erreurs humaines, au non-respect de la rglementation (forage, construction des puits) ou encore une mconnaissance du milieu gologique (NYC DEP, 2009b). Des contraventions de montants importants ont dj t imposes des oprateurs ayant entrain des pollutions par non-respect de la rglementation (COGCC, 2004). Nanmoins, dans beaucoup de cas de pollutions suspectes, l'origine des hydrocarbures tait naturelle (chappements de gaz biognique) ou na pas (encore) t dtermine avec certitude. En effet, les causes l'origine de la pollution ou les chemins de migration (dans lventualit dune contamination) sont souvent inconnus (ATSDR, 2010 ; EPA, 2010a ; NYC DEP, 2009a). LEPA (2011) propose dans son programme de recherche de faire des investigations sur plusieurs sites o des pollutions sont suspectes afin de dterminer si ces pollutions sont en relation avec les oprations de fracturations hydrauliques, et, le cas chant, les causes exactes de ces pollutions. Enfin, un rapport bien document de lOhio Department of Natural Resources (2008) prsente un cas particulier o des problmes de surpressions dans lannulaire dun puits et de cimentation ont entrain la migration et laccumulation de gaz dans des aquifres de surface par le biais de fractures naturelles provoquant une explosion dans une maison habite. Pollution de leau en surface. Des milliers dincidents entrainant des dversements de liquides potentiellement polluants en surface ont t rpertoris (NYC DEP, 2009a). En effet, les oprations de forages et de fracturations ncessitent le transfert de grandes quantits de liquide ce qui accroit la probabilit de dversement dans le milieu. Les causes principales voques sont : lerreur humaine, le dysfonctionnement dun dispositif, laccident ou encore le non-respect de la rglementation. Gestion des effluents (entendus ici comme les fluides rcuprs juste aprs fracturation et avant la phase dexploitation des hydrocarbures). La gestion de la grande quantit deffluents a pu savrer problmatique. Aux tats-Unis, des dversements illgaux dans le milieu ont t constats (NYC DEP, 2009b). Daprs lEPA (2011), la rinjection est la principale solution dans la plupart des zones exploites (cette pratique est trs contrle en France). La rutilisation des effluents pour de nouvelles oprations de fracturation aprs un prtraitement est de plus en plus commune (EPA, 2011). Parmi les autres solutions mises en place aux Etats-Unis, on note le traitement par des procds spcifiquement ddis (e.g. osmose inverse, distillation, prcipitation) ou le traitement dans des stations dpuration des eaux uses si lexploitation lieu proximit de centres urbains (EPA, 2011). Les oprateurs tudient aussi la


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possibilit d'utiliser de l'eau sale pour les hydrofracturations afin de limiter les impacts sur lenvironnement. Daprs lEPA (2011), lefficacit des procds visant liminer certains constituants (e.g. radionuclides5, additifs) nest pas bien connue. Sismicit induite. A notre connaissance, les oprations de fracturation hydraulique stricto sensu dans le cadre des GHRM nont pas engendr de dommage matriel par le biais de la sismicit induite. Ce point est abord en dtail dans le paragraphe 4.5. Gaz effets de serre rsultant de lexploitation des GHRM. Ce sujet est souvent abord et est sujet controverses. Assez peu de donnes sont disponibles sur les missions de gaz effet de serre rsultant de lexploitation des gaz de roche-mre. Perturbations diverses. Des perturbations en surface, en raison de lemprise et de lactivit du site de forage, ont t rapportes (dommages aux cosystmes, impermabilisation du sol, rosion, endommagement de voiries...) (NYC DEP, 2009a). Ces impacts sont lis aux conditions propres chaque site : il est donc difficile de les transposer dautres situations.

2.3.3.

Principaux enjeux lis au retour dexprience nord-amricainLa difficult daccs des donnes fiables semble tre une difficult majeure. En particulier, il manque des donnes sur : les lignes de base pour connaitre ltat des sites avant les dbuts de l'exploration l o un impact est suspect ; la faon dont la situation a t gre en amont par les autorits comptentes (application de la rglementation, frquence des contrles). Les causes exactes des problmes environnementaux ne sont pas toujours (ou encore) identifies. Il sagit l dune difficult supplmentaire pour lanalyse critique du retour dexprience. Des travaux sont actuellement en cours dans ce domaine pour clarifier la situation (e. g. EPA, 2011). Les principales interrogations portent sur lorigine de la pollution ou plus gnralement des impacts environnementaux : est-elle lie lexploitation des GHRM, dautres activits anthropiques ou des processus naturels ? Si lexploitation des GHRM est en cause, on peut se demander quels sont les mcanismes mis en jeu, en particulier : quels sont les chemins de migration des polluants ?

Par exemple, la formation des Marcellus Shales , aux Etats-Unis, contiendrait des concentrations importantes en radionuclides (Kargbo et al., 2010)

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2.4. PRINCIPALES CONCLUSIONS TECHNIQUES DU RAPPORT PROVISOIRE CGIET/CGEDDLe Conseil gnral de l'industrie, de l'nergie et des technologies (CGIET) et le Conseil gnral de l'environnement et du dveloppement durable (CGEDD) ont reu pour mission dtudier 4 points principaux concernant les hydrocarbures de roche-mre : 1) le potentiel de dveloppement des hydrocarbures de roche-mre ainsi que les opportunits conomiques et les enjeux gopolitiques associs 2) les techniques dexploitation, 3) les enjeux socitaux, 4) le cadre lgal, fiscal et rglementaire applicable. Un rapport provisoire a t ralis : CGIET/CGEDD (2011). Nous rapportons ci-dessous les principales conclusions et recommandations de ce rapport en ce qui concerne les manques de connaissances et les risques : Les ressources en gaz et huiles de roche-mre franaises restent largement inconnues. La France pourrait tre parmi les pays les plus prometteurs au niveau europen (EIA, 2011 ; IEA, 2010). La part de ces ressources conomiquement exploitables est inconnue ce jour. Daprs le rapport, il reste encore des progrs et des innovations raliser pour optimiser les performances des forages, aussi bien en termes dexploitation de la ressource quen termes de performances environnementales. Il est indispensable de raliser des travaux de recherche et des tests dexploration. Il est prconis dinstaurer dun comit scientifique national constitu dun noyau dexperts du BRGM, de lIFPEN et de lINERIS. Ce comit aurait dans ses missions, une fois identifis lensemble des thmes de recherche en relation avec les hydrocarbures de roche-mre, de les prioriser au sein dun programme de recherche scientifique unique. La mission recommande de ne pas utiliser la technique de fracturation hydraulique avant d'avoir obtenu les rsultats du programme de recherche (hormis dans le cadre dexprimentations menes au sein de celui-ci). Les travaux de recherches concerneraient notamment : - Les techniques de fracturation hydraulique et leurs impacts environnementaux. - La connaissance du bassin du Sud-Est et en particulier de ses aquifres. - Ltude des proprits physico-chimiques des roches mres explores. - La ralisation de puits exprimentaux sur-instruments et trs contrls (par le Comit scientifique national). - Le suivi des rsultats des tudes lances par lEPA en fvrier 2011 sur la qualit des eaux et lvaluation de leur transposition en France. - Ltablissement dune liste de molcules dont lemploi sera autoris dans les oprations de fracturation hydraulique. Enfin, la mission prconise d'actualiser la rglementation (notamment en utilisant les travaux de recherche prcits) pour l'adapter la recherche et l'exploitation des hydrocarbures de roche-mre.


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3. Comprhension du milieu gologique3.1. ROCHE-MEREConstat Les caractristiques des roches-mres montrent des variations toutes les chelles, depuis lchelle microscopique celle du bassin. Dans les roches mres, il existe la partie minrale "l'argile" et une partie organique. Sur la partie minrale, en France, lessentiel des tudes menes sur ces roches, la t dans le cadre dtudes pour le stockage de dchets nuclaires, pour la dpollution ou pour la production de matriaux et non pour lexploitation des hydrocarbures. Les fluides issus de ces formations ont t quant eux essentiellement tudis dans le cadre dtudes pour la prospection minrale ; lexpulsion des eaux connes6 lors de la subsidence des bassins tant lorigine de la constitution de gtes minraux exploits (gisements de couverture en bordure des bassins sdimentaires). Si lon envisage de forer directement dans la roche-mre il faut connatre ses htrognits tant minrales qu'organiques l'chelle microscopique (pour la porosit et la comprhension des phnomnes), mtrique, pour le forage, comme kilomtrique pour l'estimation des rserves. Ces htrognits ont un impact sur le gaz en place, les ressources, mais aussi sur la matrise des impacts dune ventuelle exploitation de ces hydrocarbures sur lenvironnement. Certaines donnes existent mais elles doivent tre reprises avec les nouveaux concepts. Enjeux Htrognit des dpts de matire organique

Besoin de modle de dpt permettant de prdire la minralogie des roches argileuses et la rpartition de la matire organique dans ces dpts. volution de cette matire organique du fait de l'activit bactrienne et de la temprature

Pendant l'enfouissement, tant que la temprature n'est pas trop leve, l'activit bactrienne est intense; la matire organique se dgrade, du gaz biognique est gnr. Beaucoup de ces phnomnes restent quantifier et intgrer dans les modles de bassin. Porosit des argiles contenant la matire organique et volution de cette porosit avec l'enfouissement

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cf. Glossaire.


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Durant l'enfouissement, la porosit des roches diminue du fait de l'augmentation de la contrainte et de l'expulsion d'eau qui en rsulte. Une rorganisation mcanique des grains a lieu (compaction mcanique) suivie de ractions aux contacts entre grains (compaction chimique). A l'inverse, la transformation de la matire organique en hydrocarbures va crer une nouvelle porosit, qui est loin dtre ngligeable. Elle peut reprsenter plus de la moiti de la porosit rsiduelle, dans le cas d'argiles riches en matire organique. L'observation de ce phnomne ainsi que la quantification du type de rseau poreux ainsi cr sont en cours. Cela ncessite des moyens d'observation l'chelle nanomtrique comme la technique FIB (Focused Ion Beam couple la microscopie). Permabilit et transport

La permabilit d'une roche dpend de sa porosit et de la connectivit de l'espace poreux. Ces connexions entre pores peuvent tre plus ou moins troites au point de ne pas laisser passer un flux d'hydrocarbure; c'est au final la structure 3D de la porosit qui va tre cruciale. Par ailleurs, les gaz peuvent se dplacer par diffusion et/ou se dissoudre dans les autres fluides. Le flux darcen, tendu aux fluides multiphass, considr comme une approximation valable pour reprsenter la circulation des fluides dans une roche poreuse, ne l'est pas pour des roches aussi compactes. La comprhension du dplacement des fluides dans des roches de faible permabilit est amliorer et d'normes efforts de recherche sont faits actuellement dans ces domaines par les compagnies ptrolires. Capacit de dsorption des lments chimiques adsorbs dans les roches mre

Les argiles sont des minraux trs singuliers dnomms phyllosilicates en raison de leur structure cristallographique. En fonction de la distance entre ces feuillets, on identifie 4 familles dargiles dont deux dentre elles sont lectriquement quilibres (familles des kaolinites et des chlorites) et les deux autres chargs ngativement (les illites et les smectites). Comme ces matriaux recherchent lquilibre ionique, ils vont adsorber tous les ions prsents dans leur milieu de dpt, et plus particulirement : - les lments mtalliques, - les lments radioactifs, - leau. De plus, en prsence de matire organique, les argiles forment des complexes organominraux.

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La fixation des mtaux lourds dpend : - de la minralogie des argiles, ainsi les capacits dadsorption pour le zinc sont dcroissantes pour les minraux suivants : spiolite > bentonite > palygorskite > illite > kaolinite ; - de la variation du pH, exemple, Oklo, lacidification des eaux entrainent une augmentation de la Capacit dEchange Cationique (CEC) des argiles, cest ce phnomne qui est lorigine du pigeage du lU235 dans la pile naturelle dOklo ; - de la charge des argiles. En consquence, une dsorption de ces lments mtalliques est facilite par un changement : - de pH du milieu ; - de la composition du fluide et des gaz en place ; - de pression. Toutes ces modifications sont susceptibles dintervenir lors de linjection du fluide de fracturation et lors de la production de gaz. Il est donc primordial de disposer dune caractrisation aussi prcise que possible de la minralogie des argiles et de la capacit de dsorption des diffrents lments adsorbs. Le mthane est adsorb sur ces minraux et sur la matire organique. Mais il se retrouve galement en proportion variable dans les fractures prsentes dans la rochemre. Sa dsorption est quant elle facilite soit par une chute de pression, soit par une augmentation de la temprature. Dans les roche-mres argileuses se trouvent des gaz, (thane, propane, ), mais aussi de l'eau, des gaz non hydrocarbures et parfois des mtaux. La comptition de ces lments sur les sites d'adsorption est tudier si l'on veut obtenir une quantification raisonnable du gaz en place et des risques de dsorption d'autres lments moins dsirs. Htrognit de la minralogie et donc de la fracabilit des argiles

Des mthodes sont en cours de dveloppement pour extrapoler via certaines caractristiques du signal sismique les mesures faites en puits sur la ptrophysique et l'anisotropie des roches. En parallle, les modles numriques de simulation de la sdimentation peuvent tre utiliss pour prdire la minralogie : par exemple le pourcentage de quartz, de carbonate et dargiles en fonction des environnements de dpt. Pistes de rflexion Caractrisation minralogique et gochimique des diverses roche-mres

La caractrisation cristallographique et gochimique des argiles est un pr-requis indispensable. Il en est de mme pour la caractrisation des capacits dchange


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cationique (CEC) l origine de la fixation des lmen mtalliq nts ques et gaz zeux et les conditions de dsorption. ractrisation des propr rits mca aniques et hydrauliques des roche h s es-mres Car

Les proprits gom caniques et hydrauliq ques des argiles ont t souven tudies a nt dans le c cadre de p projets de stockage s souterrain, en particu ulier en Fra ance. Des synergies avec les recherches menes par le CE s EA, l'ANDRA ou l'IRS sont SN rechercher dans ce nouveau con r ntexte et les rsultats acquis ex s xploiter. Les sites des s et premiers fo orages sero sur-ins ont strumenter e accompagner par : - des mesures e laboratoi s en ire, - une modlisation numriq e que, - la c construction de modles 3D (miliieu gologiq et fractures, aniso n que otropie, ...) par rtags. Bes soin dobservations petite chellle p

Pour dcrire les proprits de matriaux na m anoporeux et/ou nanos structurs o ne peut on plus se co ontenter d'u simple changement d'chelle partir de lois macro un c t oscopiques puisque les proprits physiques peuvent c s s changer de manire dr rastique u une chelle o les effe de surf ets face devien nnent domiinants. Le dveloppem ment des t techniques d'imagerie et traiteme 3D, des mthodes de rsolutio numrique et de la puissance ent on de calcul a permis d'ouvrir un champ d'inv c vestigation la crois des disc e ciplines qui permet de simuler d e des proprit ts physiqu ues de ma atriaux dire ectement partir de l'images 3D de leur s D structure. De travaux autour des nanotechn es nologies ont vu le jour t dans plusieurs domaines ; ils do oivent tre tendus l'tude de la matire organique comme la mcaniq que des ma atriaux, l'coulemen et au co nt onfinement en milieux poreux.

Illustratio 2 - A gauc chelle d'observation selon les ap on che d n ppareils. A dr roite photogr raphie au MEB de la porosit na a anomtrique dans les arg giles des Barn shale (Loucks et al., 2009). La rnett partie gris f fonce est la matire organique, la pa artie gris clai la matrice minrale quii la contient. ir m

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Besoin d'observation d'analogues

Une meilleure comprhension des dpts de matire organique et de son volution en fonction de la chimie de l'eau et de l'activit bactrienne dans les premiers kilomtres passe dabord par l'tude du produit fini, les roches-mres actuelles, mais aussi par celui des roches-mres en train de se former. Pour ce faire, une valorisation des carottes raliss dans le cadre de projets scientifiques nationaux ou internationaux est envisager (exemple : srie krognes du forage scientifique de Rennes, carottages de type International Ocean Drilling Program, IODP). Ils intressent une large communaut : spcialistes du vivant, paloclimatologues, hydrogologues, gochimistes et gologues. Modlisation

Dans la nature, tous les phnomnes interfrent. Une fois la comprhension individuelle de chacun d'entre eux acquise, il est fondamental d'intgrer les quations qui rgissent leur physique dans un modle (dit de bassin ou de rservoir selon l'chelle laquelle on travaille) qui les prend toutes en compte et permet de voir leurs volutions couples. Par exemple, lactivit bactrienne et la transformation de la matire organique dpendent de la temprature, laquelle varie avec la profondeur, de l'activit tectonique mais aussi des fluides circulant dans la roche. De nombreux logiciels ont t dvelopps par les quipes scientifiques franaises (IFPEN, BRGM, ENSMP, ENSG, ) et font partie des standards internationaux de la profession. Cependant, des amliorations sont apporter pour une meilleure prise en compte des phnomnes comme l'htrognit des roches mres et le transport dans les matriaux nanoporeux. Du point de vue physico-chimique, les systmes triphasiques offrent des difficults particulires. Des avances significatives ont t ralises rcemment sur le transport ractif multiphasique avec le dveloppement des processus physiques et physicochimiques aux interfaces des phases (roches eaux gaz micro-organismes & nanoparticules ). La gochimie des systmes confins avec des effets de surface et de salinit apportera des connaissances clefs pour le transport ractif et la dynamique des systmes des fluides dans les micro-nano-pores. Des approches de modlisation gochimique commencent intgrer ces phnomnes, qui ncessitent dtre considrs galement lors des changements dchelle et de simulations numriques du domaine du proche puits et du rservoir des GHRM.

Signature gophysique des roches-mres et de leurs caractristiques

Les caractristiques de vitesse des ondes sismiques dpendent de l'lasticit du milieu. Certaines des caractristiques gomcaniques (coefficient de Poisson, module d'Young) sont donc dductibles de la sismique, mais doivent tre valides par des mesures directes (en laboratoire sur chantillon ou sur diagraphies soniques). Par ailleurs la recherche est active pour dduire du signal sismique d'autres paramtres comme ltat de contrainte et le contenu en fluide.


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3.2. MILIEU ENCAISSANTConstat Autour de la roche-mre, les sries encaissantes ont un grand impact sur la quantit d'hydrocarbures non expulse, sur la russite, ou l'chec, de la fracturation hydraulique ainsi que sur les risques de fuites. Elles doivent donc tre elles aussi tudies. Les critres de confinement sont relativement proches entre les conditions qui ont assur un bon pigeage des hydrocarbures durant les temps gologiques et celles qui vont permettre une bonne fracturation. En cas de non confinement des fractures dans la couche argileuse il y aura des fuites. Dans le cas du bassin de Fort Worth aux USA, dans la zone la plus intressante, les Barnett shales se situent entre deux formations calcaires trs compactes. Au contraire, l o les formations carbonates encaissantes sont karstiques comme cest le cas en certains endroits sous les Barnett Shale, des pertes de fluides ont eu lieu lors de la fracturation. Par ailleurs, l'utilisation du sous-sol par diffrents acteurs (stockage de dchets, fournisseurs d'eau industrielle et potable, les gisements thermo-minraux, production dhydrocarbures, stockage saisonnier de gaz ou permanent de CO2, gothermie) ncessite que ces connaissances soient valides et partages. Enjeux Caractrisation des formations encaissantes des GHRM : proprits de confinement, proprits hydrauliques, voire karstiques, des niveaux aquifres : tout risque de fuite pendant la fracturation doit tre anticip et valu. Cartographie des rseaux de failles rgionales et documentation de leur rle sur lhydrogologie. tude des rseaux de fractures existants (architecture, remplissage, densit orientation).

Pistes de rflexion Des modles de bassin l'chelle rgionale autour des rservoirs GHRM, prenant en compte les fluides en place et les recharges actuelle, les failles et les caractristiques des roches permettraient dapprcier les circulations actuelles et les risques de perturbation en cas dexploitation et les conflits dusage potentiels. Des modles plus petite chelle pourraient ensuite en tre extraits pour simuler le rle hydraulique des failles et des couloirs de fracturation.

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3.3. ETAT DE CONTRAINTE - FAILLES - FRACTURATION NATURELLEConstat La connaissance du champ de contrainte est un lment important, mais celui-ci est connu de manire trs incomplte lchelle dun pays comme la France. Le champ de contrainte rgional est estim en fonction du contexte gologique (extensif, compressif) et de mesures disponibles dans des bases de donnes. De plus, il est loin dtre rellement connu en 3D et ses variations en fonction de la profondeur doivent tre prcises localement par des mesures dans les puits. Les contraintes au niveau local peuvent tre influences par les rseaux des fractures ou des fissures et un degr moindre par l'activit humaine (pompage dans les nappes souterraines, mise en place de tunnel ou de barrage, forages ptroliers et fracs dans ces forages). La prsence de plusieurs puits et autant de tests de fracturation peuvent aider construire un modle de la variation de ltat des contraintes in-situ. Pistes de rflexion De nombreux outils de simulation numrique existent pour tablir le modle mcanique (statique) dun site donn. Ces modles, tablis pralablement lexploitation, devront tre ajusts en fonction des rsultats des tests, de lexploitation et des donnes de monitoring, de la microsismicit induite, des mesures des contraintes et des dformations dans les puits et ventuellement en surface. Les failles sont trs souvent modlises comme des objets distincts. Cependant, une faille est trs souvent constitue de plusieurs zones htrognes avec des comportements hydromcaniques diffrents. Le dveloppement des modles thoriques et numriques capables de prendre en compte leffet de la complexit gologique des zones de failles sur leur comportement hydromcanique constitue une piste de recherche. Ces modles doivent tre capables de simuler lvolution de la rponse de la faille quand elle est affecte par des surpressions engendres par des oprations de fracturation hydraulique. La confrontation de ces modles avec des tests in-situ sera indispensable pour vrifier leur validit et leurs domaines dapplication.


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3.4. CONNAISSANCE DE LA RESSOURCE EN EAUtat des connaissances Les ressources en eau de surface et souterraine lchelle de la France sont gnralement connues partir dune part des bases de donnes7 des rfrentiels tels que le rfrentiel hydrogologique des masses deau souterraine avec BDRHF8, et, dautre part, des modlisations daquifres de tailles diverses et des interprtations multicritres de lespace considrant le modle numrique de terrain, les proprits des sols et du sous-sol. Pour les eaux de surface, la connaissance des bassins versants de premier ordre est bien tablie ; au niveau des sous-bassins, cette connaissance est variable en fonction des enjeux (risque inondation, relations eaux de surface eaux souterraines, gestion des bassins versants, tiage des cours deau). Un rfrentiel hydrographique existe (cf. Sandre, Portail national daccs aux rfrentiels sur leau). Les documents de spcification sur ce rfrentiel visent dcrire les entits hydrographiques prsentes sur le territoire franais afin de constituer un rfrentiel national permettant dinventorier les cours deau, dcrivant les stations de prlvement et la qualit des cours deau, les donnes physico-chimiques, microbiologiques et biologiques. Pour les eaux souterraines, le rfrentiel des masses deau souterraine correspond lunit dvaluation de la DCE (Directive Cadre sur lEau) ; il comprend, dune part lensemble des donnes gographiques du dcoupage du territoire national en entits hydrogologiques (BDRHF voluant vers BD LISA), dautre part des donnes acquises au niveau des points deau, et leur description. Les stations de mesure des eaux souterraines sont rfrences au sein de ce rfrentiel avec des donnes relatives aux points deau (puits, sources, forages), leur localisation, des coupes gologiques, hydrogologiques et techniques, des donnes pizomtriques et des donnes physicochimiques et microbiologiques. Ce rfrentiel contient plusieurs niveaux, les entits tant ordonnes suivant un ordre croissant (ordre 1 pour les entits affleurantes, ordre 2 pour les entits situes juste au-dessous, etc.) sur la verticale. Le numro dordre qui est affect aux entits permet de suivre la progression de chacune delles en profondeur et de la localiser en un point dans la pile des entits hydrogologiques. Actuellement, il ny a pas de notion dpaisseur dans ce rfrentiel de version V2 (J.J. Seguin, avec la collaboration de V. Mardhel, 2009). Le rfrentiel, assemblage dans les 3 dimensions despace des entits dlimites, peut tre considr comme un modle hydrogologique dune ralit complexe, accessible laide dune information disponible un moment donn (cartes gologiques et logs de forages) et parfois interprte faute de donnes suffisantes.

BDHydro pour les eaux de surface avec les dbits enregistrs au niveau de stations de jaugeages, ADES pour les eaux souterraines - quantit avec niveaux pizomtriques, dbits de source en tant quexutoire de systmes aquifres, et qualit de leau des points deau souterraine.8

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BDRHF : Base de Donnes sur le Rfrentiel Hydrogologique Franais.

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Maitrise des impacts et ris s sques lis le exploitation de hydrocarbures de roche- mre. es

Illustratio 3 - Passage dun ordre absolu un ordre relat dans la su on re u tif uccession ver rticale des enti its du rfre entiel hydrog gologique V2 (Seguin, 2 V 2009).

Par ailleurs, il existe de nombre e reux modle hydrogologiques r es raliss lchelle de e bassins sdimentaire de napp es, pes alluviales, daquifres de so ocle et des formations s karstiques Ils ont g s. nralemen t con nt us pour la gestion de ressourc en eau es ces u souterrain Plusieurs modles maills rgionaux ont par ailleurs t ralis au cours ne. s s s des vingt dernires annes ; les modles r a s aliss depuis 2000 on t rper nt rtoris dans s le cadre dune rfle exion men par le BRGM pour la Directiion de lea et de la e B r au a biodiversit du MEDD t DTL sur un projet de cration dun ple na n ational de modlisation m n en hydrog gologie (Ba arthlmy Y et Seguin JJ., 2011). Y. Mme si plusieurs de ces mod d dles impliquent des aquifres multi-couches et des s s aquifres profonds, la connais ssance des aquifres situs plus de 1000 m de s s e profondeu reste tr partielle Elle est en gnrale limite des pr ur s e. rospections s ptrolires minires ou gother s, rmiques (ex Bassin de Paris), ca les capta x. ar ages deau u potable, industrielle ou agr ricole natt teignent que rareme ent des profondeurs p s importante (> 500 m ou 1000 m es m). Enjeux et verrous Les enjeu sur les ressource en eau souterraine portent p ux es e principalem ment sur la a profonds, au-del de 500 m de profond connaissa ance des aquifres p a e deur. Pour r progresse il faut, dune pa er, art, valorise toutes les donn er es hydrog gologiques s existantes (param s tres hydr rodynamiques issus des inte erprtations dessais s s

BRGM/RP-6 60312-FR Rapport Final

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hydrauliques ; proprits hydrochimiques des eaux) et, dautre part, les mettre en regard de la gomtrie des bassins sdimentaires, par le biais dun rfrentiel hydrogologique ddi aux aquifres profonds. Les verrous principaux portent sur la caractrisation des incertitudes relatives aux proprits hydrogologiques et gochimiques et aux potentialits hydrauliques des aquifres, parce que les donnes disponibles sur les aquifres profonds sont partielles et localises, associes des investigations ptrolires et gothermiques. Pistes de rflexion Raliser un rfrentiel hydrogologique ddi aux aquifres profonds selon les spcifications du BDRHF, en valorisant toutes les donnes disponibles sur un ou deux secteurs dfinir, en lien avec le paragraphe 3.2 (et qui aura des utilisations autres largement au-del des GHRM). Dvelopper une approche de caractrisation des incertitudes, laide de mthodes statistiques et gostatistiques, appliques aux paramtres hydrogologiques et aux potentialits en eau souterraine.

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4. Identification des risques et nuisances4.1. LA FRACTURATION HYDRAULIQUELes hydrocarbures de roches-mres sont pigs dans des couches dominante argileuse o ils ont t gnrs au cours des temps gologiques. De nature minralogique trs diffrente, ces couches ont la particularit d'tre peu poreuses et pratiquement impermables. Pour produire des hydrocarbures dans des quantits conomiquement intressantes, il faut crer autour du puits une "permabilit" artificielle par fracturation hydraulique, qui va permettre aux hydrocarbures tant liquides que gazeux de se dplacer dans la formation en direction du puits. Cette injection de fluide sous pression entrane une perturbation du milieu proximit du puits qu'il est indispensable de bien contrler. Cette technique est employe depuis une cinquantaine d'annes pour stimuler d'autres rservoirs de mauvaise permabilit tant par l'industrie ptrolire qu'en gothermie et pour la production d'eau. Dans les premires phases de l'exploitation des GHRM aux USA, la fracturation hydraulique tait ralise sur des puits verticaux. Depuis quelques annes la majorit des fracturations hydrauliques se font le long de forages horizontaux, ce qui augmente considrablement la production des puits.

4.1.1.Constat

Lextension spatiale des fractures

La fracturation hydraulique ayant pour but de crer une fracturation artificielle en mettant profit le rseau de fractures prexistant et en sappuyant sur la connaissance pralable de la lithologie et du champ de contrainte pour augmenter la permabilit de la couche, il est indispensable d'en contrler l'extension : Pour s'assurer que les fractures restent dans la zone de production et ne risquent pas de mettre en communication la zone exploite avec d'autres couches par l'intermdiaire de niveaux permables ou de discontinuits gologiques (discordance, faille). Pour optimiser la production. L'emploi massif de puits horizontaux dans l'exploitation des hydrocarbures de roche-mres conduit l'laboration de sries de drains gomtrie complexe. L'implantation de nouveaux drains ncessite une bonne connaissance de la zone dj fracture par les prcdents drains afin d'optimiser leur implantation. Une implantation trop rapproche risque d'entraner des interfrences entre drains, une implantation trop loigne laissera des zones non draines. Enfin, il convient de s'assurer que lors de la fracturation hydraulique la partie du puits situe proximit des zones dinjection n'est pas endommage.


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La modlis sation prd dictive acco ompagne d suivi g de ophysique permet d valuer les consquen nces des o oprations de la fractu d uration. Pou ce faire, la constru ur uction dun modle hy ydromcaniq que est n cessaire. L Les param tres de ce modle do oivent tre identifis partir des donnes de terrains : carottes de roche provenant d la zone s s p de miner ltat des contra dintrt, te ests de la f fracturation pour dterm aintes in-situ sections u, gophysiqu ues, etc. C modle prend en c Ce compte galement l tat de la f fracturation naturelle d massif, car ltend du due, larchit tecture et les proprit l ts hydraulliques des fractures in nitiales influ uencent les oprations de fracturation hydraulique.

Illustratio 4 - La dist on tance entre drain horizon dpend du rayon effe d ntal d ectif de la fra cturation hydra aulique (Tynd Center, 2011). dall 2

Avec le d veloppeme massif de l'exploitat ent d tion des hydrocarbures de roches -mres, les outils de su de la fra uivi acturation hydraulique se sont perfectionns notammen en ce qui h nt concerne l'coute si ismique pa assive des microsism mes induits par la f s fracturation hydraulique. La progr ression des fractures d s dans le sou us-sol induit des "micro t osismes"9 qu'il est p possible de localiser en temps r e rel grce des capt teurs perm manents ou temporaire implants proximit, principa es s alement dan les puits situs aux alentours ns s x ffecte par (cf. 5.3.1). On obtien ainsi une cartograph tridimensionnelle de la zone af nt e hie tion hydrau ulique (Illust tration 5 ; I llustration 6). Ce suivi de l'exten 6 nsion de la la fracturat fracturation permet d n d'adapter l opration de fractura ation et de contrler au mieux e l'extension des fractu n ures. La dterminatio de la lo d on ocalisation de cette f fracturation ssance du dpend na aturellemen du mailla nt age des rc cepteurs et de la bon t nne connais

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Pour certai ines configura ations particulires des con ntraintes in situ et de la fr racturation na aturelle, il est possible que la fracturatio hydrauliqu ne produis pas de microsismicit dtectable. C e on ue se d Cela pose un problme de suivi et donc de contrle de fractures aiinsi cres. es

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Maitrise des impacts et ris s sques lis le exploitation de hydrocarbures de roche- mre. es

champ de vitesse dans la z e zone tudi e. En phase d'explo oration ou de dbut t d'exploitat tion, la localisation du c champ de fracture sera de ce fait moins prc f a cise.

Illustratio 5 - Cartogr on raphie de la zone affect par la frac e cturation hydr raulique (Zob back et al., 20 010).

Illustratio 6 - Cartog on graphie des m microsisme lors d'une fracturation hydraulique. (Source: es . O Oilfield Servi Company ice y).

La gom trie du rs seau de fra ctures indu uites est extrmement variable, elle dpend e d directeme de la lit ent thologie de couches ainsi que de ltat d es des contrain ntes in situ u (Illustration 7). Aux profondeurs d'exploitation des hy p s ydrocarbure de roche es e-mres, (> >

BRGM/RP-6 60312-FR Rapport Final

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800 m), les opration de frac sont con ns c nues pour que les fractures indu uites soient limites ve erticalement la couc che "argileu use". Elles s'tendent latraleme nt sur des distances allant jus squ plusieurs centa aines de mtres, su uivant une direction e prfrentie dpenda de l'tat des contra elle ant t aintes.

Illustr ration 7 - Mod dlisation de la propagat e tion d'une fra acture (Sourc : Chesape ce eake).

La compr rhension d la mod de dification lo ocale des contraintes par la f s fracturation hydraulique est aussi un facteur important dans le d ploitations. t veloppeme des exp ent Les prem miers drain fracturs modifien les contraintes locales et donc le ns nt l dveloppement des f fractures pour les dra ains suivan nts. La prise en comp de ces pte changeme ents est reco ommande pour l'optim misation de l'exploitatio Un tel m on. modle, doit simuler le effet des fractures sur ltat des contr raintes. Diffrentes t techniques numrique telles qu les mod es ue les dendo ommageme ent, les modles discr rets ou les lments f finis enrichis peuvent tre utilises cette fin Les expriences dan dautres s s n. ns domaines dapplicati ion comme la fragm e mentation dynamique peuvent prsenter e dventuell pistes de progrs. les Enjeux La connais ssance prc cise de la zone affect z te par la fracturation hydraulique est donc e ptimisation tout la fo une exige ois ence pour la prventio des risqu mais aussi pour lop on ues de la prod duction. Po une pro our oduction id dentique, le enjeux sont la con es s nnaissance pralable d milieu ( du tat de contrainte, rs seau de frac ctures naturelles), le c contrle de lextension verticale d fractures et une dim n des minution du nombre de drains for et donc u e rs de l'impact environnem t mental de cette exploit c tation.

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Piste de rflexions Dveloppement des mthodes gologiques/gostatistiques pour la reconstruction 3D des rseaux des fractures prexistants et des discontinuits sdimentaires. Dveloppement/amlioration des modles thoriques et numriques de simulation de la formation et propagation des rseaux de fractures : o prise en compte de lhtrognit des milieux gologiques ; o interaction entre les fractures inities et existantes ; o volution de la permabilit des rseaux de fractures dans le temps (fluage, couplages chimio-mcaniques, ). Etudier les effets des diffrents scnarios de fracturation hydraulique sur le dveloppement dune sismicit induite et ses impacts. Impact de la fracturation hydraulique sur la sismicit naturelle dans les zones dactivit sismique non ngligeable. Etudier lendommagement potentiel moyen et long terme dorigine mcanique et chimique des couches fractures hydrauliquement en relation avec les scnarios de fracturation et la nature des fluides injects restant dans le soussol lissue de lexploitation.

Lensemble de ces modles permettront de : dfinir a priori la meilleure fracturation en fonction des objectifs fixs ; suivre grce l'coute passive de la fracturation la progression de cette fracturation et ainsi s'assurer que cette fracturation est conforme aux prvisions ; mettre en place des mesures correctives en cas de "drive" de la fracturation par rapport au programme initial. Il conviendra aussi de sinterroger sur le temps de raction ncessaire la mise en place de ces mesures correctives en cas dcart la prvision ; dans un stade plus mature des recherches ce modle permettra d'optimiser la localisation des drains horizontaux et de diminuer ainsi l'impact environnemental.

4.1.2.Constat

Interactions entre le milieu fractur, les fluides et le puits

L'injection lors de la fracturation hydraulique d'eau sous pression contenant des agents de soutnement ("proppants") tels que du sable mais aussi des additifs chimiques va aussi perturber le milieu gologique dont la minralogie est complexe (matrice + hydrocarbures). Enjeux Dans le cas des hydrocarbures de roches-mres, les hydrocarbures sont pigs dans


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une roche dominante argileuse. Les argiles sont des minraux hydrophiles qui ont des capacits d'adsorption remarquables. Grce leurs proprits lectro-chimiques, les argiles ont la capacit de former des complexes organo-minraux, de piger des lments mtalliques ainsi que des lments radioactifs. Ces capacits dpendent directement de la minralogie des argiles mais aussi des conditions du milieu. Ainsi on peut noter une dsorption facilite par un changement du pH du milieu, par un changement de concentration de l'eau de formation ainsi que par des changements de pression et de temprature. L'injection d'un fluide de fracturation sous forte pression va entraner une modification plus ou moins importante des conditions d'quilibre dans la couche fracture. Cette modification est importante car elle va influencer : La nature des effluents puisqu'une partie de l'eau de forage et de l'eau de fracturation (entre 20 et 70%) est refoule lors de la phase de "flowback" (priode durant de quelques heures quelques jours succdant la phase de fracturation hydraulique et qui prcde la mise en production du puits). Cet effluent contient du fluide de fracturation qui a pu se charger d'autres lments du fait des modifications physico-chimiques du milieu. Ainsi on peut retrouver des mtaux lourds ou des lments radioactifs si l'encaissant en contient. Cet effluent doit tre retrait avant tout autre usage. Plus la nature de l'effluent sera complexe, plus le retraitement sera coteux. L'efficacit de la fracturation hydraulique, car des processus tels que la floculation et la cration de dpts dans les fractures peuvent nettement rduire la production du puits. Pistes de rflexions En ce qui concerne les hydrocarbures de roche-mre en France, il est indispensable d'avoir une analyse dtaille de la minralogie des roches encaissantes. Si l'analyse unitaire est indispensable il faudra aussi tudier l'interaction avec diffrents fluides de fracturation dans les conditions de fond afin de dfinir le fluide le plus efficace pour l'effectivit de la fracturation tout en restant le moins ractif avec le milieu. Par ailleurs, il faudrait caractriser toutes les interactions possibles entre les fluides injects pour la fracturation hydraulique, les puits (tubage et ciment), la roche et les eaux des aquifres sus-jacents.Ces tudes devront permettre den dduire les impacts possibles sur les puits et lenvironnement souterrain depuis la phase du forage jusquaprs la fin de lexploitation. De plus, le processus de fracturation hydraulique mis en uvre pour permettre lexploitation dhydrocarbures perturbe ltat dquilibre instaur au sein des rochesmres, ainsi, la fin de l'exploitation ne correspond pas obligatoirement un retour l'quilibre. Au-del de la phase dexploitation, il conviendrait donc de sinterroger sur lvolution long terme du milieu dont lquilibre a t perturb par la fracturation hydraulique. Ltude de cette volution sur le long terme permettrait dapprhender des processus lents (exemple : dissolution) pouvant avoir des rpercussions sur les

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roches-mres et sur les matriaux des puits (corrosion des aciers, dgradation des annulaires ciments et des bouchons), et den dduire les risques associs.

4.1.3.Constat

Les besoins en eau

Les volumes deau ncessaires pour lexploration et lexploitation des gisements de GHRM dpendent du type de formation et de la configuration des oprations de fracturation (profondeur des puits, proprits des fluides de fracturation) et de la conception de la fracturation hydraulique. Les besoins en eau pour la fracturation hydraulique des gisements de GHRM sont compris entre 8 000 et 16 000 m3 par forage (American Petroleum Institute, 2010 ; GWPC et ALL Consulting, 2009 ; Satterfield et al., 2008). Une comparaison des besoins en eau pour des fracturations hydrauliques ralises sur diffrentes roches mres aux Etats-Unis et situes des profondeurs variant de 1200 m de profondeur plus de 4110 m, a t effectue par GWPC et ALL Consulting en 2009. Les volumes deau pour la fracturation par puits sont compris entre 10 000 et 14 750 m3 (on rappelle que plusieurs puits sont fors par plateforme). Afin de satisfaire ces besoins en eau ponctuels mais importants, leau est gnralement stocke dans des rservoirs mobiles ou des retenues deau, au niveau des sites dexploitation (GWPC et ALL Consulting, 2009 ; EPA, 2011). Leau stocke provient soit des aquifres soit dautres exploitations ptrolires o elle est produite avec les hydrocarbures, soit des bassins versants (eau de surface), selon le contexte hydrogologique et hydrologique des sites dexploitation. Au vu des volumes deau ncessaires, des solutions de recyclage des eaux refoules sont utilises. Deux semaines aprs la fracturation, entre 10 40 % des fluides injects peuvent tre rcuprs (Ewing, 2008 ; Vidic, 2010). Par contre sur lensemble du cycle de vie du puits, la rcupration peut tre totale voire suprieure en tenant compte des eaux de formation. Pour pallier cette tension sur la ressource en eau potable ou potabilisable, des recherches sont menes pour utiliser des eaux profondes et fortement sales, donc impropres la consommation humaine sans traitement. Le prlvement dun volume deau aussi important a un impact du point de vue quantitatif sur la ressource en eau (eaux souterraines, eaux de surface), variable selon le contexte gographique, climatique, gologique, et donc hydrologique et hydrogologique. La mobilisation dun volume deau important dans une zone aride, o la recharge des aquifres par les prcipitations efficaces ainsi que le ruissellement dans les bassins versants sont faibles, peut tre une contrainte sur les ressources disponibles pour lalimentation en eau potable. Le prlvement de volumes deau significatifs peut conduire des diminutions de niveau pizomtrique, voire des dnoyages de forages utiliss pour ladduction deau potable (AEP) (y. c. approfondissement de puits en Louisiane, prs de Shreveport (EPA, 2011)), des diminutions de dbit des cours deau et des rductions des volumes deau stocks dans des rservoirs naturels. Lexploitation des GHRM pourrait donc impacter la disponibilit des ressources en eau pour lalimentation en eau potable ou pour dautres usages (EPA, 2011). A lchelle du Texas, la consommation de lindustrie ptrolire,


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non conventionnelle et conventionnelle runies, reprsente 6% de la consommation totale. Enjeux et verrous Identifier, caractriser et quantifier les ressources en eau, superficielles et souterraines, disponibles proximit des gisements de GHRM. valuer leur aptitude satisfaire aux besoins de la fracturation hydraulique, en quantit et en qualit, et valuer limpact environnemental dans le cycle hydrologique et les services environnementaux rendus au sens large. Assurer une gestion de la ressource en eau durable dans lenvironnement du site dexploitation du gisement GHRM conformment la loi LEMA (Loi sur lEau et les Milieux Aquatiques du 30 dcembre 2006) ainsi qu la Directive Cadre sur lEau, y compris la directive fille sur les Eaux souterraines. Rduire les besoins en eau pour la fracturation hydraulique sur les sites de production, en optimisant la rutilisation des eaux refoules, en poursuivant les travaux de R&D sur la rutilisation des eaux refoules, deaux uses, ou encore deaux hypersalines daquifres profonds, pour effectuer de nouveaux cycles de fracturation. Grer les questions associes au stockage temporaire des eaux refoules.

Pistes de rflexion

Sur la base dun retour dexprience des sites dexploitation aux Etats-Unis et du Canada, analyser les pratiques actuelles de gestion des ressources en eau. Analyser les donnes collectes au niveau dun rfrentiel hydrogologique des aquifres profonds, les donnes du rfrentiels BDRHF-V2 et de la base de donnes ADES pour les aquifres de subsurface, en mettant en vidence les relations hydrauliques possibles entre les diffrentes couches des rfrentiels et tablir des bilans hydrologiques pour des priodes dobservation donnes. Analyser les donnes existantes concernant les eaux de surface pour les sites slectionns. Analyser les usages en cours, et caractriser la vulnrabilit des masses deau (surface et souterraine). Caractriser limpact de prlvements sur la disponibilit de la ressource, en fonction du type de ressource, en considrant la variabilit spatiale et temporelle laide doutils statistiques et de systmes dinformation gographique (SIG). Identifier les impacts possibles sur la disponibilit de la ressource lis aux grands volumes deau prlever pour la fracturation hydraulique, pour des contextes climatiques et hydrologiques diffrents. Utilisation des eaux des aquifres sals profonds.

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4.1.4.Constat

Amliorations possibles de la fracturation hydraulique

Bien que la fracturation hydraulique date des annes 1940, et qu'actuellement plus de 2 millions de fracturation aient dj t effectues dans le monde, tant pour des gisements conventionnels que non conventionnels, les actions de R&D sur le sujet sont nombreuses, tant pour amliorer les techniques et rduire leur impact sur l'environnement que sur la recherche de nouvelles formes de fracturation. Les axes de recherche sont nombreux notamment sur la recherche de nouveaux additifs chimiques (par exemple "Clean Suite" d'Halliburton) moins agressifs pour l'environnement. On peut envisager que la "chimie verte" fournisse rapidement de nouveaux produits. Les techniques de fracturation pourraient aussi voluer avec une utilisation optimale de la ressource en eau ncessaire, du retraitement du "flowback" et de l'eau de production. Enjeux La fracturation hydraulique est actuellement la technique utilise pour produire de faon conomique des hydrocarbures partir d'une couche peu poreuse et impermable. L'amlioration de cette mthode en termes d'impact environnemental et de risques est indispensable un dveloppement de ces ressources. Pistes de rflexions Rduction de l'empreinte environnementale de la fracturation hydraulique : optimisation du volume d'eau ncessaire la fracturation en fonction des conditions gologiques et mcaniques. Analyser la faisabilit et les avantages des techniques envisages au Canada visant remplacer l'eau dinjection par des gaz liqufis (GPL), des gels de propane, ou du CO2 avec ou sans ajout azote, etc. Outre l'avantage de rduire considrablement l'utilisation de l'eau (ressource et traitement), cette alternative serait en effet de nature limiter leffet de lixiviation des terrains en place et donc limiter les rsidus remonts en surface. A ce sujet, le BAPE du Qubec est d'avis que le Gouvernement du Qubec devrait favoriser le dveloppement de technologies scuritaires visant le remplacement de l'eau de fracturation ainsi que l'usage de produit chimiques environnementalement acceptables . tudier les alternatives la fracturation hydraulique : la fracturation hydraulique (au sens large d'injection de fluides sous pression quel que soit le fluide) n'a pas pour le moment de vritables alternatives. Les pistes de rflexions restent donc totalement ouvertes.


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4.2. UTILISATION DE PRODUITS CHIMIQUES (INVENTAIRE, TOXICITE)Constat La fracturation hydraulique dune formation gologique requiert des formulations comprenant des additifs chimiques (0.5% environ) pour crer la fracture par monte en pression et pour dvelopper son extension, puis maintenir l'ouverture de la fracture par transport et dpt de particules solides (proppants). Les additifs peuvent avoir des rles divers : augmenter la viscosit du fluide, diminuer la friction, faciliter le retour du fluide, limiter la prolifration de microorganismes, restaurer la permabilit en fin d'opration (oxydants et enzymes), inhiber la corrosion des tubages, contrler le pH, . Parmi les dizaines dadditifs rfrencs, certains peuvent prsenter des proprits toxiques, voire cancrignes selon leur concentration et le temps d'exposition. A noter qu'en Europe, l'utilisation de ces additifs est rgie par le rglement REACH. Les types et concentrations des proppants et des additifs chimiques varient en fonction des conditions et proprits du gisement. Ils sont dtermins partir de modlisation des proprits des rservoirs et de la simulation de la fracturation considrant la composition des fluides, les dbits de pompage et les concentrations des proppants. Une liste des additifs chimiques connus publiquement existe dans diffrents documents (Annexe D, EPA, 2011). Diffrents type de formulations existent utilisant des types d'additifs diffrents. Mme si il ny a pas encore de classification gnrale, ces additifs chimiques peuvent tre classs selon leurs proprits (fonctions) dans le procd ou leurs familles chimiques et groupements fonctionnels. La premire est la plus utilise. Elle est formule de la faon suivante : Les particules solides : Appeles proppants, ce sont des particules solides destines maintenir ouvertes les fractures cres lors de lopration. Le plus souvent constitues de sable ou doxyde daluminium, elles peuvent tre enrobes de rsines (formaldhyde phenol polymer, novolac, resole, resol), afin de les consolider et dviter le retour dans leffluent de production. Les acides (essentiellement HCl) : pour nettoyer les abords du puits qui pourraient tre endommags par les rsidus de boue de forage et de ciment. L'acide est inject faible dbit, pour ne pas dpasser la pression de fracturation, et ce pendant une assez longue priode. Les polymres : Les polymres utiliss sont le plus souvent des gommes de guar, ventuellement modifies (CMHPG par exemple), ou des drivs de la cellulose. Leur mise en solution aqueuse peut tre difficile, et cest pourquoi ils sont parfois conditionns en mulsion dans un solvant organique. Les rticulants (ou agents glifiants) : La rticulation des polymres permet de confrer la solution des proprits rhologiques intressantes, savoir la capacit maintenir les proppants en suspension ainsi quune faible pntration dans la formation. Ce peuvent tre des sels mtalliques divalents comme le zirconium et le titane, ou encore du borax. Les produits utiliss contiennent en outre des solvants (Gazole, thylne glycol, mthanol).

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Les Breakers : Ces produits permettant de rduire la viscosit des gels de polymres aprs la cration de la fracture (en les dgradant) sont composs gnralement d'oxydants. Des enzymes peuvent aussi tre employs pour catalyser l'hydrolyse des polymres. Les biocides (plusieurs produits organiques dont glutaraldhyde, etc. mais aussi les chlorures dammonium, etc.) : ces produits permettent de striliser le milieu et d'empcher le dveloppement bactrien qui peut dgrader les proprits de certains polymres (gomme de guar) utiliss. La non-utilisation de ces produits chimiques fait courir galement un risque important dacidification du milieu par le dgagement de gaz acides (i.e., H2S, etc.) gnr par la rduction bactrienne du soufre. Ce problme est rcurrent dans les rservoirs dhydrocarbures. Les inhibiteurs de corrosion (isopropanol, acide formique, dimthyle formamide, etc.) : ces produits chimiques sont souvent rajouts dans les acides pour viter la corrosion du casing10 des puits. En effet, les acides augmentent le risque de corrosion. Les attnuateurs (rducteurs) de frictions (i.e., polyacrylamide, distillat de ptrole, etc.) : Connus sous le nom de "drag reducers additives" (DRA), ce sont le plus souvent des polymres de haute masse molculaire, en gnral des polyacrylamides en milieu aqueux ou des olfines en milieu organique, qui permettent de diminuer notablement les pertes de charge lors des coulements en rgime turbulent, en interagissant avec la structure de la turbulence (tourbillons) prs des parois. Ces produits injects de trs faibles concentrations (quelques ppm) induisent des gains importants en nergie fournir pour la frac mais aussi en quipement (pompes, etc.). Les rducteurs doxygne (i.e., bisulfure dammonium) : ces produits permettent dviter la corrosion des tubages des puits par les ractions doxydo-rduction faisant intervenir loxygne. Sans ces additifs, le risque de corrosion devient rel et lintgrit des puits est compromise. Dautres produits usuels dans lindustrie de production du ptrole et de la gothermie : rgulateurs de pH, anti-dpts (anti-scale), stimulateurs chimiques essentiellement acides, contrleur des t

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Note GHRM Maitrise Des Risques Et Impacts