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L'énergie à découvert

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Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Troisième partie. Les énergies fossiles

4. Fracturation hydraulique et alternatives

Gilles Pijaudier-Cabot

Texte intégral

1La fracturation hydraulique est une technique connue et largement employée pour la production d’hydrocarbures, mais aussi pour la géothermie profonde. On estime que plus d’un puits sur deux foré aujourd’hui subit une étape de fracturation. Mais avec le développement de l’exploitation des hydrocarbures non conventionnels*, ce procédé de stimulation est devenu controversé, avec notamment son interdiction pour l’exploration et la production d’hydrocarbures en France en 2011. Il importe que la recherche permette d’une part d’explorer les pistes alternatives à la fracturation hydraulique, et d’autre part propose des modalités de minimisation des nuisances induites par la fracturation hydraulique.

Principes

2La fracturation hydraulique consiste à injecter un fluide à haute pression dans un puits de forage à une profondeur déterminée. Lorsque la pression appliquée par le fluide compense le chargement lithostatique (le poids de la roche au-dessus du lieu où la pression est appliquée) augmenté de la résistance locale de la roche, une fissure s’amorce et peut se propager sur plusieurs centaines de mètres. Au cours du procédé, un agent de soutènement (généralement du sable ou des billes de céramique) est injecté afin de prévenir la fermeture de la fissure. L’eau de forage contient des additifs adaptés au type de roche en place, destinés à faciliter l’opération. Une fois la fracturation effectuée, l’eau de forage est expulsée naturellement par différence de pression (le « flowback »). Les fissures créées se comportent comme des drains, ce qui permet de rendre accessible à la production de gaz des massifs rocheux éloignés du puits de forage, mais proches du drain créé.

3La fracturation hydraulique a tout d’abord été appliquée aux réservoirs géologiques classiques. Son utilisation dans le cas des champs faiblement perméables appelés Tight Gas Reservoirs – TGR (mille fois moins perméables que des réservoirs conventionnels) s’est toutefois heurtée à de réelles difficultés. Les TGR contiennent du gaz dont le taux de récupération par des procédés conventionnels est modeste (3 à 10 % des hydrocarbures en place). Après fracturation hydraulique, le rendement est augmenté. Le gaz recueilli provient d’un volume de roche localisé près de la surface de la fissure, au travers de laquelle le gaz va pouvoir migrer par différence de pression. La production de gaz consiste à drainer* cette zone au lieu de drainer seulement le voisinage du puits. Le gaz compris entre les zones drainées reste inaccessible, ce qui oblige à multiplier les forages et les opérations de fracturation. Les schistes combinent cette difficulté, liée à la faible perméabilité* de la roche avec une hétérogénéité naturelle du milieu.

Cas des gaz de schiste

4Le terme « schistes » (ou plus exactement « shales ») désigne des roches sédimentaires argileuses consolidées au cours de l’évolution géologique de l’écorce terrestre et renfermant des matériaux organiques. Ce sont ces derniers qui vont se transformer au cours de leur enfouissement en kérogène* (cf. III.1), site de production du méthane « thermogénique » (généré par accroissement de température et de pression). Accumulés par sédimentation, ces schistes possèdent une structure en couche similaire à celle d’un mille-feuille. C’est dans l’épaisseur de ce mille-feuille que le gaz serait stocké. Ainsi ces schistes sont à la fois la roche mère et le réservoir géologique de gaz. Au cours de leur évolution géologique, ces roches vont connaître des fracturations naturelles dont certaines vont éventuellement se cimenter. Les schistes contiennent des fissures et des joints à plusieurs échelles : à celle des couches (échelle microscopique) comme à une échelle de la dizaine de mètres (échelle macroscopique). Au niveau macroscopique, il est fréquent d’observer des joints (par exemple perpendiculaires aux couches) espacés assez régulièrement de quelques mètres.

5Dans les schistes, le but de la fracturation hydraulique n’est pas uniquement de créer une macrofissure (un drain), il s’agit aussi d’ouvrir les joints déjà présents et de les connecter pour former un réseau de drainage et extraire le gaz dispersé dans la roche.

Alternatives

6La pénétration du fluide de fracturation au sein du réseau existant de joints et de fissures dépend directement de sa viscosité. On peut donc imaginer qu’en diminuant cette viscosité, le fluide pourra plus facilement pénétrer les fissures faiblement ouvertes et les joints peu perméables pour y appliquer une pression suffisante à leur augmentation de perméabilité. Les candidats sont nombreux : propane, dioxyde de carbone… À l’état liquide, le CO2 a une viscosité dix fois plus faible que l’eau ; à l’état supercritique* (conditions usuelles de gisement), la viscosité du CO2 est encore plus faible. Au-delà d’une diminution de viscosité, l’interaction avec la roche est aussi importante. Si le fluide vient s’adsorber (se coller) sur la roche préférentiellement au méthane, cela permettra d’extraire aussi le gaz adsorbé à la surface de la roche.

7Il y a aussi des difficultés : les fluides de remplacement sont compressibles, ce qui rend le processus moins performant. Par ailleurs, le CO2 peut se recombiner avec l’eau pour former un acide corrosif pour les roches carbonatées avoisinantes ; il peut aussi provoquer un gonflement de la roche et diminuer sa perméabilité. Enfin, il n’est pas certain qu’une fois activé, le réseau secondaire ne va pas se refermer une fois le fluide de fracturation évacué. Son soutènement reste une question à résoudre.

Imagerie par tomographie RX d’éprouvettes centimétriques soumises à un chargement correspondant à une profondeur de 2 000 m et sollicitées par plusieurs impulsions électriques successives. Les fissures générées sont représentées en violet

8La seconde piste est celle du chargement dynamique. La surface de fissure créée dans un matériau dépend de l’énergie mise en œuvre dans le volume de matière qui va se rompre. Le chargement dynamique apporte une grande quantité d’énergie dans un petit volume de matière. Dans ce volume, l’énergie est telle qu’une grande surface de fissures va devoir se créer. Ainsi, au fur et à mesure de la propagation de l’onde de chargement, le matériau va se fragmenter, connectant le réseau secondaire avec les fissures nouvellement créées (figure).

9Le chargement dynamique peut être induit par des explosifs placés en fond de puits ou par des impulsions électriques. Dans ce second cas, une onde de pression est générée par une décharge électrique entre deux électrodes placées dans le puits de forage rempli d’eau. L’amplitude de cette onde de pression peut atteindre 200 MPa, sa durée est de l’ordre de la centaine de microsecondes. Une fois transmise à la roche par le fluide présent dans le puits, cette onde de pression va induire une microfissuration de densité décroissante au fur et à mesure que l’on s’éloigne du puits.

10L’application de ce procédé aux gaz de schistes a fait l’objet de brevets déposés par l’université de Pau et des Pays de l’Adour et par Total. La technique des impulsions électriques permettrait de maîtriser les volumes de roche concernés par la fragmentation tout en évitant une grande consommation d’eau. Les modèles indiquent toutefois que l’on augmente la perméabilité des roches proches du puits seulement. La pertinence de ce procédé reste donc à explorer et il faut certainement l’optimiser.

Bibliographie

Référence bibliographique

• G. PIJAUDIER-CABOT – Gaz de schistes : quelles pistes alternatives à la fracturation hydraulique ?, ParisTech Review, 2013.

Table des illustrations

Légende Imagerie par tomographie RX d’éprouvettes centimétriques soumises à un chargement correspondant à une profondeur de 2 000 m et sollicitées par plusieurs impulsions électriques successives. Les fissures générées sont représentées en violet
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10963/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 68k

Auteur

Géomécanicien, Professeur des Universités, Université de Pau et des Pays de l’Adour, Directeur du LFC-R, Directeur de l’Institut Carnot ISIFoR, Anglet.
gilles.pijaudier-cabot@univ-pau.fr

© CNRS Éditions, 2013

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