Exploitation des gaz de schiste Questions géologiques et risques environnementaux Exemple du Sud-Est de la France Séverin Pistre Professeur d’Hydrogéologie Bruxelles - 14 Avril 2011

Genèse des hydrocarbures 0 km 1 Dépôt des sédiments riches en Mat. Organique Env. 60°C 2 km 0 km 2 Recouvrement des sédiments Env. 60°C 2 km Dizaines à Centaines de millions d’années 0 km Enfouissement des sédiments Augmentation de P et T° 3 Env. 60°C 2 km Fenêtre à huile Env. 90°C 0 km Enfouissement des sédiments Augmentation de P et T° 4 Env.60°C 2 km Fenêtre à huile Env. 90°C 3 km Fenêtre à gaz

Système pétrolier conventionnel Couverture Roche Mère 60°C Couverture Fenêtre à huile 90°C Réservoir Roche Mère Fenêtre à gaz Migration des fluides vers des réservoirs (roche-mère --> réservoir) Bruxelles - 14 Avril 2011

Système pétrolier non-conventionnel Fenêtre à huile 90°C Fenêtre à gaz Les fluides générés restent dans la roche-mère Bruxelles - 14 Avril 2011

Évolution thermique du bassin Histoire de l’enfouissement des formations (ex: Sud France) Dépôt des Black shales Dépôt des schistes carton Enfouissement des schistes carton du Toarcien Fenêtre à huile Enfouissement des Black shales Autunien Fenêtre à gaz Bruxelles - 14 Avril 2011

Méthode d’extraction 1- Forage parallèle à la couche pour optimiser la surface de contact avec les argiles 0m 300 m Tubage de surface + ciment Aquifère (0 à 300m) Tubage + ciment 2 à 4km Couche cible (50 à 100m) Forage horizontal > 1km Bruxelles - 14 Avril 2011 6

Fracturation hydraulique 2- fracturation de la couche pour favoriser la perméabilité et l’écoulement du gaz 0m Fluides sous pression 300 m surface Aquifère (0 à 300m) 50 à 100m 100 à 500m Couche cible (50 à 100m) Augmentation de la pression fluide => rupture de la roche => microséismes autour du forage Bruxelles - 14 Avril 2011 7

Fracturation hydraulique 0m Production de gaz (+ eau + effluents) 300 m 50 à 100m 100 à 500m Formation de fractures contenues dans la couche = fractures hydrauliques Bruxelles - 14 Avril 2011 Source: Zoback & al 2010 8

Quels sont les risques pour l’environnement ? Détérioration qualitative et quantitative de la ressource en eau souterraine et de surface Modification des paysages Altération des écosystèmes Pollution de l’air Pollution sonore Bruxelles - 14 Avril 2011

Impact sur les paysages et les écosystèmes Chaque point blanc est un puit Garfield county Colorado (USA) Pistes d’accès Aires de stockage (citernes, compresseurs..) Bassins de rétention (eaux, boues..) Colonnes de forages … Ex USA: 0,5 à 3 plateformes /km2 Bruxelles - 14 Avril 2011 10

Pollution de l’air Pollution sonore Emission de CO2 et d’oxydes d’azote Forages, Fracturation, compresseurs, transport Emission de composés organiques volatiles Ventilation des puits, déshydratation du gaz, fuites de méthane,… => Emission de gaz qui activent la formation d’ozone Pollution sonore Stations de pompage, torchères, trafic véhicules, compresseurs.. => 75 db à 2 km du site

Les 3 problèmes liés à l’eau Problème de ressource pour l’eau nécessaire Forage: lubrifiant et remontée des déblais de forage (±1000m3) Hydrofracturation: volumes importants nécessaires => conflit d’intérêt (minier / agricole / industrie / consommation) Problème de pollution des eaux en profondeur défaut de tubage (casing) => fuite dans les couches traversées (dont aquifères) fracturation mal contrôlée => fuite des fluides dans les couches supérieures fracturation mal contrôlée => réactivation de failles => drains: fluides vers couches sup. Problème de traitement des eaux récupérées/pollution en surface - stockages des déblais de forages remontée de fluides d’hydrofracturation remontées de fluides/éléments chimiques résidents traitements des fluides récupérés déversement de liquides contaminés en surface Bruxelles - 14 Avril 2011

gaz pipeline saumures Profondeur : 2 à 3 km Fuite de bassin Défaut de tubage Remontée sur faille naturelle/réactivée saumures Drainance Fracturation mal contrôlée Profondeur : 2 à 3 km Adapté de Kargbo et al., 2010. Environ. Sci. Technol.

Nature des produits injectés Inhibiteur de dépôt Acide chlorhydrique Eau (~95%) Nature des produits injectés ? Additifs (~2%) Sable (~3%) Anti-microbien lubrifiant Nombreuses substances chimiques dont plusieurs cancérogènes > 500 produits recensés Hypochlorite de sodium Phosphate de tributyle Isopropanol Diethylbenzène Xylène Acide Nitriloacétique Polyacrylamide Formaldéhyde (formol) Gomme de guar etc… Méthanol Source: IFP 2011 Source: Institut National de Santé Publique du Québec N. Mousseau 2010 Devenir des produits injectés ? • 10 à 70% du fluide remonte en surface par le forage dans les jours/semaines qui suivent, et doivent être traités • 90 à 30% du fluide reste dans les formations géologiques, où il interagit sur le long terme

Volumes de produits injectés 10 000 - 20 000m3 d’eau par forage origine : eau de surface (transport) ou souterraine (sur-place ?) 4 à 8 piscines olympiques consommation annuelle de 300 à 600 personnes 500 à 1000 camions citernes (2 livraisons/heure pendant 11 à 21 jours) 100 à 200 m3 de produits chimiques 5 à 10 camions X 5 à 10 forages/plateforme

Nature des éléments contenus dans les couches profondes Saumures dans les aquifères profonds - sels: sulfures, chlorures Eléments adsorbés par les argiles qui seront libérés lors de l’exploitation éléments radioactifs: Plomb-210, Radium-226, Thorium-234,… des métaux: Plomb, Thallium,… Arsenic, Sélénium,… Source Institut National de santé Publique du Québec Ex USA : [Ra-226] = limites x 267 Kargbo et al., 2010. Environmental Science and Technology Le flowback, c’est à dire le fluide qui remonte contient en plus des composés chimiques des composés naturels … Tu peux dire qu’ici, c’est dans les schistes de l’Autunien qu’on exploite l’Uranium. A ces effluents, il faut rajouter les boues de forage Ces éléments peuvent remonter par le forage, par drains naturels ou induits pendant la phase de mise en œuvre du forage (quelques semaines) pendant l’exploitation du gaz (10 ans) après l’exploitation > 10 ans ? > siècle ? Bruxelles - 14 Avril 2011 16

Devenir des fluides récupérés 10 à 70% des fluides injectés Bassins Risque de fuites Elimination ? On attend que l’eau de ces bassins de rétention s’évapore . Il reste ensuite le déchet solide très toxique. Qu’en fait-on. Rejet des effluents contaminés et très salés Séchage = déchet toxique => décharge / stockage (AMD) Traitement par STEP ? Non adaptées Traitement par stations industrielles ? Bruxelles - 14 Avril 2011 17

Exemple de la France coupe géologique bassin parisien coupe géologique bassin aquitain Bruxelles - 14 Avril 2011

Les permis du bassin Sud-Est Villeneuve de Berg, Schuepbach 931km2; 39.9M€ 42857.14€/km2 Bassin d’Alès, Mouvoil 215km2, ; 2.1M€ 4651.16€/km2 Plaine d’Alès, BridgeOil 503km2; 1.5 M€ 2982.11€/km2 Navacelles Egdon 216km2; 1.36 M€ 6296,29 €/km2 Nant, Schuepbach 4414km2 1.7M€ 385.14 €/km2 Montélimar, Total 4327km2; 37.8M€ 8735.85 €/km2 Nimes, Egdon (après rachat de EnCore) 507km2; 5 M€ ; 9861.93 €/km2 Plaines du Languedoc Lundin 2348km2; 1.5 M€; 638.84 €/km2 Provence, Queensland Gas (demande)

Quelles sont les cibles ? Le Toarcien L’Autunien 100km ? ?

Quelles sont les ressources en eau de la région Sud-Est ? Climat méditerranéen : épisodes pluvieux intenses / étés secs évolution climatique : -20% pluie en 2030 (GIEC) Aquifères karstiques = principales ressources crues / étiages sévères recharge rapide développement profond Failles profondes connexion des aquifères drainage des eaux souterraines remontées de fluides naturels (eau chaude, CO2…)

Les aquifères karstiques à fort intérêt stratégique Agence de l’eau RMC Les aquifères karstiques à fort intérêt stratégique Montpellier Bakalowicz, 1994

Vulnérabilité des différents types d’aquifères Vulnérabilité des karsts carte SDAGE RMC d’après Drogue, 1971

Exemple de l’aquifère du Lez/Montpellier  300.000 personnes Toarcien Autunien d’après Marjolet et Salado, 1975

Connexion des aquifères Nîmes Aquifères karstiques séparés par de minces niveaux imperméables Mais connexions possibles par zones de failles (fracturation => porosité => drain) Montpellier Lez D’après Benedicto, 1996

Fonctionnement de l’aquifère du Lez Mise en évidence de venues profondes Source du Lez Source du Lirou infiltration SE NW Recharge rapide d’après Bicalho, 2010 Benedicto, 1996 Aquifère principal Venues profondes

Conclusion Risques de pollution des aquifères par dessus/dessous Cohérence avec DCE, périmètres de protection des captages, SDAGE, zones naturelles protégées (parcs naturels..) ? Refus d’exploiter les gaz de schiste => refus d’explorer ??? Amélioration des techniques (utilisées aux USA et Canada) ? Comment encadrer/surveiller l’exploitation ? Par qui ? Approfondissements scientifiques nécessaires pour préciser l’expertise et faire face aux demandes futures d’utilisation du milieu souterrain Bruxelles - 14 Avril 2011