Évaluation environnementale stratégique (ÉES) sur le gaz de schiste: Modélisation numérique de la migration du méthane dans les Basses-Terres du Saint-Laurent

Rapport:

Nowamooz, A., J.-M. Lemieux et R., Therrien (2013) Étude E3-10, Modélisation numérique de la migration du méthane dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Rapport final. Département de géologie et de génie géologique, Université Laval, décembre 2013, 115 pages, 2 annexes.

 

Résumé:

Cette étude constitue l’étude E3-10 du plan de réalisation de l’étude environnementale stratégique (ÉES) sur les gaz de schiste. Elle a pour objectif d’identifier et d’évaluer les mécanismes de migration du méthane, des fluides de formation et des fluides de fracturation vers les aquifères superficiels d’eau douce en relation avec les activités de fracturation hydraulique dans les Basses-Terres du Saint-Laurent.

Dans un premier temps, une synthèse et une analyse des problématiques environnementales rapportées dans la littérature reliées à la cimentation des coffrages des puits ainsi qu’à la fracturation hydraulique sont présentées. Par la suite, trois modèles conceptuels basés sur les problématiques jugées les plus importantes sont étudiés, à l’aide des modélisations numériques, en utilisant les variables physiques propres à la province géologique des Basses-Terres du Saint-Laurent.

Suite à la revue de la littérature, il apparaît que les fuites de gaz attribuables aux problématiques de cimentation des puits constituent un problème reconnu par l’industrie pétrolière et gazière qui n’est pas spécifique à l’exploitation des gaz de schiste. Bien que les fuites de gaz reliées à la cimentation des puits puissent survenir rapidement dans le cas de mauvaises pratiques de cimentation, la dégradation à long terme du ciment peut également mener à des fuites de gaz. Pour ce qui est des problématiques spécifiques à la fracturation hydraulique, les données publiées pour l’instant sont peu nombreuses et permettent difficilement d’en évaluer l’importance.

Dans un deuxième temps, trois modèles conceptuels reliés à la cimentation des puits ainsi qu’à la fracturation hydraulique ont été simulés à l’aide du modèle DuMux, un simulateur d’écoulement multiphase multi-constituant non-isotherme et de transport en milieu poreux basé sur la méthode des éléments finis et des volumes de contrôle. Afin de rendre le modèle applicable à cette étude, le système de fluide utilisé par DuMux a dû être modifié afin d’inclure les propriétés du méthane, de la saumure ainsi que du mélange entre ces fluides.

Le premier scénario simulé vise à étudier le comportement d’un puits d’exploitation de gaz de shale abandonné afin d’évaluer s’il pose un problème environnemental à long terme pour les aquifères superficiels. Dans ce scénario, un puits vertical de 1000 m de profondeur recoupe une séquence géologique composée du Shale d’Utica (200 m), du Groupe de Lorraine (750 m) et de dépôts meubles (50 m) perméables à la surface dans lesquels se retrouve un aquifère superficiel à nappe libre. Les résultats de simulation suggèrent que la présence d’un ciment frais de bonne qualité et bien installé dans la section annulaire du puits compris entre la formation géologique et le coffrage ne pose pas de problématique de fuites du gaz à long terme. Dans le meilleur des cas, les fuites simulées de méthane vers les aquifères superficiels sont de l’ordre de 1.97×10-4 m3/an après une période de 250 ans suivant la fermeture du puits. Toutefois, une mauvaise mise en place du ciment ou bien sa dégradation à long terme pourrait donner lieu à des fuites notables de méthane dans les aquifères superficiels. Dans le pire des cas simulés, les fuites de méthane vers les aquifères superficiels sont de l’ordre de 900 m3/an seulement 10 ans après l’abandon du puits. Les résultats de simulation montrent que selon la qualité de l’endommagement du ciment, des fuites notables de gaz pourraient survenir dans une période comprise entre quelques années à près de 200 ans.

Une analyse de sensibilité a également été réalisée afin d’évaluer l’importance de l’augmentation de la perméabilité du Shale d’Utica suite aux activités de fracturation hydraulique sur la vitesse et de migration du méthane vers la surface et le volume des fuites. Il apparaît que la fracturation hydraulique favorise une augmentation de la vitesse de migration et le volume des fuites, mais de façon marginale par rapport à la qualité de la cimentation des puits.

Le deuxième scénario simulé vise à étudier l’influence de la fracturation hydraulique sur la migration du gaz et des fluides de formation le long d’une faille afin d’évaluer s’il pose un problème environnemental à long terme pour les aquifères superficiels. Dans ce scénario, un puits vertical de 900 m de profondeur recoupe une séquence géologique composée du Shale d’Utica (100 m), du Groupe de Lorraine (750 m) et de dépôts meubles (50 m) perméables à la surface. Les résultats préliminaires de modélisation laissent supposer que la fracturation hydraulique ne pourrait pas causer une migration significative de fluides de formation et de méthane vers les aquifères superficiels dans un horizon de 1000 ans. Même en considérant une perméabilité plus grande pour la faille, aucune migration significative de fluides de formation et de méthane vers les aquifères superficiels n’est prévue dans un horizon de 1000 ans. Dans le cas d’une perméabilité réaliste de la faille (k = 10-3 mD), les fuites simulées de saumure et de méthane vers les aquifères superficiels augmentent de 4.51% et 2.95% par rapport au flux naturel (3.01×10-5 m/an pour la saumure et 2.37 m/an pour le méthane) après une période de 1000 ans suivant la fracturation hydraulique. Dans le cas d’une perméabilité plus grande de la faille (k = 10-1 mD), les fuites simulées de saumure et de méthane vers les aquifères superficiels augmentent respectivement de 6.01% et 3.97% de leur flux naturel (2.83×10-3 m/an pour la saumure et 231.11 m/an pour le méthane) après une période de 18 ans et de 2.82% et 1.46% de leur flux naturel après une période de 1000 ans suivant la fracturation hydraulique. Si on considère que les flux naturels de méthane et de saumure ne causent généralement pas de problématique environnementale, les résultats de la simulation montrent que la migration du méthane et de la saumure suivant un épisode de fracturation hydraulique ne devrait pas non plus en causer.

En complément

L’EES sur le gaz de schiste

 

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