Les Hydrocarbures non-conventionnels Les

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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

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Présentation générale du BRGM

• Établissement public de recherche et dexpertise
  (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 lEcologie, de lEnergie, 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, daménagement
  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

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Les hydrocarbures
Formation de la roche mère
Hydrocarbures Conventionnels
Hydrocarbures Non Conventionnels (HNC),
prisonniers de la roche mère
Formation des réservoirs conventionnels
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http//energy.er.usgs.gov/images/geochemistry/petr
oleum_compounds.png
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Les hydrocarbures
SHALE OIL
SHALE GAS
Les hydrocarbures conventionnels résultent de la
maturation de la roche mère (en bleu), doù
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).
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Sources iconographqiues IFPEN et Université de
Laval http//www.ggl.ulaval.ca/
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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

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Sources iconographiques wikipedia
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Les relations méthane - charbon
Contenu en gaz des charbons
Gardanne
Nord Pas de Calais

Lorraine
Alpes
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Maturation de la matière organique
Plancton (algues)
Spores
Matière ligno-cellulosique
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Une roche hôte particulière les roches
argileuses

• Des minéraux hydrophiles aux capacités
  dadsorbtion parfois remarquables
• phyllosilicates

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Une roche hôte particulière les roches
argileuses

• Processus dabsorbtion et dadsorbtion
• 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 leau (gonflement)

Illite
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Une roche hôte particulière les roches
argileuses

• Fixation des métaux lourds
• dépend de la minéralogie des argiles
• Sépiolite gt bentonite gt palygoskite gt illite gt
  kaolinite (pour le Zn)
• de la variation du pH
• Ex. Oklo acidification des eaux entrainent une
  augmentation de la CEC des argiles - piégeage du
  lU235
• dépend de la charge des argiles
• Une désorption facilitée
• Par un changement de pH du milieu
• Par un changement de concentration de leau de
  formation
• Par un changement de pression

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Les hydrocarbures

• Quelques définitions
• Roche mère accumulation de matières minérales
  et de matières organiques
• Maturation de la matière organique
  transformation sous leffet 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 lextraction (avec ou sans
  pompes) sans nécessiter dautre étape de
  traitement ou de dilution
• Hydrocarbures non conventionnels bruts
  extra-lourds, bitume, sables asphaltiques et
  schistes bitumineux (oilfacts.ch) qui nécessite
  de stimuler la roche dans laquelle ils sont
  piégés dès la première phase d'exploitation pour
  obtenir une production commerciale (ifpen)

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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 lItalie et lEstonie
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.
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Les hydrocarbures non-conventionnels
Ressources mondiales en gaz de roche mère
Distribution des ressources potentielles en
 shale gas  à léchelle mondiale Ressource
estimée à 16 112 tcf soit 456 000 milliards de m3
(US National Petroleum Concil)
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http//www.petroleum-economist.com/images/46/25529
/shale1.gif
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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
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Les hydrocarbures non-conventionnels
Carte des prospects de HNC en Europe
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Les hydrocarbures non-conventionnels
Carte des prospects de HNC en Europe
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Les hydrocarbures non-conventionnels en France
Les cibles jurassiques (Toarcien) Shale oil
Shale gas
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www.metstor.fr
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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 lArc (Gardanne)
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Yves Paquette rapport des Houillères de Bassin
du Centre et du Midi
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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
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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
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Sources www.toreador.net
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Les HNC en France Le Lias du bassin du Sud-Est
0 2000
Permis dexploration 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.
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Source BRGM
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LES HNC EN France Le Lias du bassin du Sud Est
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Source Documents du BRGM, Géologie Profonde de
la France, 1992
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Comparaison USA France gaz de roche-mère
Gas shale Bassin du Sud-Est Gas shale Bassin de Barnett
TOC 4 à 6 4,5
Tmax 500-510C 455C
Roche mère Argiles Argiles
Matière organique Type 2 probable Type 2
Environnement de dépôt Marin profond Syst. Progr. bas niveau Marin restreint
Epaisseur nette 200 m ? 90 m
Porosité ? 6
Perméabilité ? 0,02 mD
Organic geochemistry and thermal history of the
Mesozoic series of the Ardeche Margin, Disnar,
J.R., (1996), Marine and Petroleum Geology
Assessment of the Gas Potential and Yields from
Shales the Barnett Shale Model, Daniel M.
Jarvie, Ronald J. Hill, and Richard M. Pollastro.
in Cardott, B.J. (ed.), Unconventional energy
resources in the southern Midcontinent, 2004
symposium Oklahoma Geological Survey Circular
110, 2005, p. 37-50
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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
dun fluide sous pression. Ce fluide est composé
deau (20 000 m3 par forage, en moyenne),
dadditifs chimiques et de particules permettant
de maintenir les fractures ouvertes.
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Exploiter le gaz de roche-mère

• Les contraintes de la technique
• /- 20 000 m3 deau par puits
• /- 3 million m3 deau requis par jour aux USA
  four la fracturation hydraulique
• 25 puits consommeraient en eau, léquivalent de
  la consommation dune commune française de 10 000
  habitants
• 20 à 100 of du fluide de fracturation est
  récupéré

gt 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

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Impacts et risques spécifiques de l'exploitation

• Risques lié à la fracturation hydraulique
• Utilisation de produits chimiques 0,5 environ,
  pour développer lextension 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)

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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 déléments radioactifs (Uranium,
  radium, radon)
• La désorption est facilitée
• Par un changement de pH du milieu
• Par un changement de concentration de leau de
  formation
• Par un changement de pression

Illite
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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
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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
  linjection de saumure
• Risque réactivation de fractures existantes
  résultant de la modification locale des
  contraintes tectoniques

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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
  (eausableréactifs) 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 limmobilier
• Limitation de l'usage des terrains de surface

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Scénario dégradé

• Augmentation de la pression sur leau
• Fuite de gaz ou deau de gisement dans un
  aquifère superficiel via les forages
• Équipent de traitement des eaux inadapté
• Fuite de gaz ou deau de gisement par failles
• Sismicité induite inattendue

gt 32
33
Conclusion

• La France dispose dun grand nombre de formations
  géologiques aptes à produire
• De lhuile 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 dun très petit
  nombre de données de forage
• Quant au calcul des réserves, celui-ci est du
  domaine des travaux dexploration

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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
  détudes des impacts et des risques dans les
  documents réglementaires à fournir par les
  opérateurs (phase dexploration et
  dexploitation)

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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

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