Les conséquences sanitaires de leur exploitation. Gaz de schistes Les conséquences sanitaires de leur exploitation. Bruno Goffé Affleurement de couches contenant du gaz de schiste (Fontaine ardente de Gua dans le Dauphiné) 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Schiste, shale, roche mère, conventionnel, non conventionnel? Terminologie Schiste, shale, roche mère, conventionnel, non conventionnel? Schiste (français) et Schist (anglais) réfère géologiquement à une roche sédimentaire métamorphisée à plus de 200 °C, qui ne contient plus (ou peu) de méthane mais peut être riche en carbone (Anthracite-graphite). Mais usuellement en français le mot schiste est aussi utilisé pour toutes les roches sédimentaires à grains très fins présentant un débit planaire. Shale (mot uniquement anglais) réfère à une roche sédimentaire argileuse riche en carbone organique qui peut contenir de l’huile ou du gaz. Sa traduction littérale en français est pélite. Roche mère réfère à la roche à l’origine de la formation des pétroles et des gaz Conventionnel et non conventionnel référent aux technologies d’exploitation des matières premières Pratiquement, en français « gaz de schiste » peut être utilisé dans le sens commun, tandis que géologiquement et technologiquement les expressions «gaz de roche-mère» et « gaz non conventionnel » sont les bonnes. 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Coupe dans la partie externe de la terre Formation des Hydrocarbures Le pétrole et le gaz naturel se forment dans les bassins sédimentaires entre 1000 et 6000m de profondeur Coupe dans la partie externe de la terre 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Origine du Pétrole et du Gaz naturel (formation de roches-mères) Forêts inondées Lacs ou mer Enfouissement et dégradation des végétaux dans des marécages plancton Compaction et altération chimique Plancton mort coule Boues riches en matière organique Un profond enfouissement génère du charbon et du gaz L’enfouissement génère du Pétrole et du gaz 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Formation des Hydrocarbures Sous l’effet de l’augmentation la pression et de la température avec la profondeur, la roche-mère produit des hydrocarbures (Huiles, gaz) et un résidu insoluble appelé Kérogène. Huiles et gaz peuvent s’échapper de la roche-mère et migrer à travers des roches perméables jusqu’à qu’ils soient arrêtés par des roches imperméables formant une « couvertures ». Les hydrocarbures s’accumulent alors dans la roche poreuse pour former un réservoir. S’ils ne sont pas arrêtés lors de leur migration ces hydrocarbures peuvent s’échapper à la surface . Le kérogène reste dans la roche-mère. + Couche imperméable discordance Coupes verticales dans un bassin pétrolier Migration secondaire : gaz/huile, moins dense que l’eau, se déplace par flottaison à travers les roches perméables Migration primaire : gaz quitte la roche mère par excès de pression 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Les différents types de gisements de gaz roches poreuses et perméables Gisements non conventionnels roches poreuses et imperméables Gaz de schiste: méthane (gaz shale) Gaz de houille: méthane (coalbed méthane) Gaz de mine: méthane Huiles de schistes: hydrocarbures souvent lourds (oil shale) 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de mine : exploitation existante nord de la France Pendant l’exploitation de la mine Après la fermeture de la mine Des stations de captage récupèrent le gaz de mine Le gaz de Mine (Grisou) se dégage de la roche fracturée par l’exploitation Le grisou est utilisé pour alimenter le chauffage urbain L’ennoyage progressif des mines, par les eaux issues de la nappe phréatique à pour effet de pistonner le gaz dans les vides miniers, augmentant la pression et poussant ainsi le gaz vers la surface Pour limiter les risques liées à la présence de gaz dans le galeries, le gaz est partiellement récupéré et acheminé en surface où il est valorisé en chauffage 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Relations entre sources de matières organiques profondeur et température Huile + Gaz Réf : http://www.ihrdc.com/ Kérogène lacustre marins terrestre 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume http://monash.edu/

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Dans le monde En Tcm = Terra m3 Pour exemple, la consommation mondiale de gaz en 2008 = 2,5 Tcm Celle de la France = 0,05 Tcm/an, Lacq à produit 0,23 Tcm 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Dans le monde Robert Siegfried - Les gaz de schiste – Academy of Sciences – February 26, 2013 Source IEA WO 2011 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Les ressources de gaz de shale et gaz de charbon en Europe Shale (oil+gas) Charbon 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Source: IEA 2012

En France exemple du Bassin Parisien Source BRGM Du charbon à très grande profondeur (6000m) dans le socle? 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

En France exemple des Bassins du Sud de la France SUD EST Marin Houille du bassin des Cévennes Schistes cartons du Toarcien (180 Ma) SUD Grands Causses Lacustre Incertitudes sur la ressource de 1 à 1000 « Black-shale » Autunien (280Ma) Référence : Michel Séranne & Nicolas Arnaud, 26 Février 2013, académie de Sciences 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

La fracturation Hydraulique Plus d’un million de puits Technologies d’exploitation des gaz de shale La fracturation Hydraulique Inventée en 1949 Plus d’un million de puits Toutes applications En 1990 elle est associée au forage horizontal Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume 13/09/2013

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Schéma d’un forage horizontal utilisant une fracturation hydraulique Source: Induced seismicity potential in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012 Les fractures sont en jaune (cf. agrandissement). Le forage appelé « domestique well » donne une échelle comparative des profondeurs d’exploitation pour l’eau. Les profondeurs indiquées sont les moyennes observées pour les USA (les profondeurs et distances de 2000 et 10000 pieds correspondent à environ 600 et 3000 m). 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Production à Fayetteville (USA) 5 puits --------- ----- ~ 2 millions m3 -------------------------------------------------------- 25% du gaz est produit la première année en millions de pieds cube --------- --------------------- ~ 1 millions m3 ---------------------------------------- James E. Mason, Hydrogen Research Institute, Farmingdale, NY, Oil & Gas journal 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Les impacts environnementaux et risques sanitaires Émissions atmosphériques de méthane Technique de fracturation hydraulique par puits horizontaux et enjeux environnementaux associés à la production de gaz de schiste. Image de fond : Schlumberger. 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Occupation des sols (aux USA) Sites de forages Densité des puits est dépendante des Propriétés des roches, des technologies mais aussi de la réglementation et de l’étendue de la propriété (limitée aux USA car privée), sans limite en France (car publique) plate-forme de forage (Horn River Basin), 14 puits forés Durée de la mise en place ~1 an 1/2 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume 13/09/2013

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume La densité des forages Densité des infrastructures aux USA : 3.5 « plates-formes » / km2 En moyenne 6 puits par plate-forme, max actuel 40 plateformes Source: [Wood et al., 2011; rapport, Université de Manchester, Angleterre] 1-1,5 km (extensible 4 km) En moyenne 6 puits (cela peut aller jusqu’à 16 puits en Colombie Britannique) Encana a fait 51 puits à parti d’une seule plate-forme. UK, de 1,5 à 2 plate-forme par km2 Durée de l’activité: de 500 à 1500 jours avant la production pour une plate-forme de 6 puits Exemple de projet à 16 drains 6,4 x1,7 km 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Les impacts environnementaux spécifiques aux gaz de schiste Mise en contact avec un aquifère profond du fait du réseau de fissures existant. Mise en contact avec un aquifère profond du fait d’une fracturation progressant vers la surface. Consommation d’eau Emploi du procédé à une très grande échelle avec multiplication des puits. X 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Les impacts environnementaux non spécifiques aux gaz de schiste Mauvaise étanchéité du tubage (casing) au passage d’un aquifère Fuite de surface Traitement des eaux de forage (lixiviation, réinjection souterraine, filière de traitement en surface) Additifs dangereux (soumis en Europe à la directive REACH) 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Profondeur aquifère (m) Fracturation hydraulique: la consommation d’eau Shale (USA) Profondeur (m) Porosité (%) Carbone organique (%) Profondeur aquifère (m) Eau consommée m3/puits Barnett 1980-2591 4-5 4,5 366 8700 Fayetteville 304-2135 2-8 4-10 152 11000 Haynesville 3200-4115 8-9 0,5-4 122 10200 Marcellus 1220-2590 10 3-12 259 14400 GWPC and ALL Consulting, 2009 Pour comparaison: Un golf haut de gamme de 18 trous en France consomme en moyenne 5.000 m3/jour, (eau apportée, ref : rapport OPECST, Sénat 2003) Tendance actuelle à la diminution de ces quantités (2 à 3 fois moins) 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

La contamination chimique…les additifs Du bénin au dangereux Ethylène glycol hydroxyéthylcellulose Gomme de guar carbonates sables isopropanol quinoléine Scale inhibiteur : inhibiteur de dépôt dans les canalisations Agent gélifiant: augmenter la viscosité de l’eau Acide: nettoyer les trous de perforation, le forage Cross-linker (lorsque la Te augmente la viscosité diminue, il s’y oppose) polyacrylamide Acide Chlorhydrique glutaraldéhyde Modifié d’après Arthur et al. 2009 (2009 SPE Americas E&P Environmental & Safety Conférence, San Antonio, TX, SPE 121038) Une dizaine de produit parmi 750 références vendues par 2500 sociétés aux USA 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

La contamination chimique… le sous-sol Indépendamment des additifs injectés, les substances naturelles associées aux fluides des gisements de gaz peuvent être remontées en surface. Le fluide de formation (saumure) Les Gaz (méthane, éthane, sulfure d’hydrogène, Hydrogène, hélium) Eléments en trace (mercure, plomb, arsenic, lithium, fer, …) Élément en trace radioactif (Radium, Thorium, Uranium) Matière organique (acides, aromatiques polycycliques volatils et semi volatils), 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Fuites de méthane observées : Origines possibles 1- Méthane biogénique: généré par la respiration des microorganismes dans les couches plus superficielles 2- Méthane géogénique: flux naturel dans les zones de failles de fortes pressions 3- Méthane exploité : fuites induites par les activités de fracturation Différentiation possible des origines par la signature chimique et isotopique Nature des chemins de migration - fracturation existante - fracturation induite - fuite entre puits de production ou puits voisins - fuites atmosphériques avec le retours des fluides de fracturation Migration des gaz différente de la Migration des fluides - chemins d’écoulement différents - processus de transport différents (vitesse de migration) 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Le Risque sismique Warpinski et al., 2005 Coupe au travers d’un puits de stimulation montrant six épisodes d’hydro fracturation et la sismicité induite (magnitude -1,0 to -2,5) en moins de 24 heures. Sismicité induite: elle est faible car les volumes d’eau injectés sont plutôt faibles et les injections sont de courtes durées (quelques heures à quelques jours). La magnitude est très faible (négative = chute d’un objet lourd de 1m de haut). La sismicité induite est différente de la sismicité déclenchée, possiblement plus forte. 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Carte de la sismicité induite aux USA à l’occasion de diverses injections de fluide Source: Induced seismicity potential in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume Relation entre les magnitudes maximales recensées des séismes créés ou probablement créés par des injections de fluides pour la production d’énergie aux USA et la quantité de fluide injecté pour différentes applications Source: Induced seismicity potential in energy technologies, National Research Council of the National Academies; The national Academies Press Washington, 2012 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Le risque sanitaire peut être maitrisé par : La Connaissance de la ressource et des roches (propriétés chimique, mécanique) La qualité et sécurité des technologies (meilleures pratiques) Définition et applications des réglementations Mettre en place un site pilote de recherche 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume

Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume 13/09/2013 Gaz de schiste,Université SLC, Aix en provence - La Beaume