lundi 28 juillet 2014

La circulation des fluides

Document R-4 - La circulation des fluides -

Remarque préliminaire : ce document, tout comme les cinq autres suivants (R-4, 5, 6, 7 et 8), est écrit pour apporter une réponse à un texte nommé "Debunking Durand", ainsi qu’à sa version en français. Nous voulons ici reprendre et compléter certaines explications techniques et scientifiques, qui sont dénaturées ou erronées dans les documents "Debunking Durand" (réf.1).
« L’eau et les fluides observent de façon générale la loi de la gravité et descendent vers le bas, bien qu’il existe des exceptions » p.1 (réf.1)

« La fracturation hydraulique est effectuée à une profondeur bien inférieure (?) à celle des sources d’eau souterraine. La formation schisteuse de production de gaz est de plus séparée des aquifères par de multiples couches de roche imperméable qui, de concert avec la gravité, empêchent toute migration de fluide entre la zone de fracturation hydraulique et quelque source d’approvisionnement en eau que ce soit. » p.3 (réf.1)

Il faut rappeler ici quelques notions fondamentales en hydrogéologie qui semblent vraiment très mal comprises par les auteurs des deux citations ci-dessus. Dans une coupe verticale schématisée ci-dessous, on illustre cinq zones A, B, C, D et E allant de la surface à la profondeur :  

Figure 1- Coupe schématique de l’écoulement souterrain pour une zone de 1 x 30 Km.

La zone A qui se nomme zone d’aération commence juste sous la surface du sol et se poursuit jusqu’au sommet de la nappe phréatique; c’est dans cette zone uniquement que l’eau descend verticalement sous l’action de la gravité. Les eaux de précipitations descendent vers la nappe par infiltration gravitaire dans le sol. Dès qu’elles entrent dans la nappe phréatique (zone B), les eaux circulent en fonction des lois de l’écoulement hydrogéologique et là c’est très rarement un mouvement vertical vers le bas. Parmi les autres paramètres qui conditionnent alors l’écoulement en plus de la gravité toujours présente, il y a la perméabilité, la pression et la charge hydraulique, les gradients entre les zones d’alimentation et d’exutoire, etc. Le schéma (fig.1) illustre bien que le réseau de l’écoulement souterrain comporte des zones où il est tout à fait faux d ‘énoncer «L’eau et les fluides… descendent vers le bas » comme une généralité. Il y a autant de zones où l’eau remonte que de zones où elle descend.

La plus grande portion des écoulements souterrains suit en fait des lignes courbes d’écoulement latéral, dirigé vers les cours d’eau qui constituent les points de sortie des nappes phréatiques (exutoires). Sur la figure 1, les flèches verticales semblent dominer, mais cela résulte du fait que ce schéma est en fait une représentation très comprimée horizontalement pour schématiser 30 Km latéralement. L’eau circule en fonction des gradients ; ceux-ci peuvent avoir des composantes vers le haut, notamment au voisinage des cours d’eau et des points de captage (puits artésiens).

Dans les écoulements à moyenne (C) et à grande (D) profondeur dans le roc, la porosité, la perméabilité et les vitesses d’écoulement deviennent extrêmement faibles. On parle ici de temps de transit qui se mesurent en siècles et en millénaires. Là où le roc est si peu perméable, comme dans du shale (E), l’écoulement devient à peu près nul, sauf évidemment si on vient fracturer artificiellement le roc. Dans toutes les couches de roc peu poreux et peu perméable, la lente circulation de l’eau se fait essentiellement dans le réseau des fractures du roc.

En raison du temps de stagnation qui devient très long, les eaux souterraines profondes dans les roches sédimentaires deviennent de plus en plus salées. Les plus profondes (1000 m et plus) atteignent le degré de saturation maximal, soit huit à dix fois la salinité de l’eau de mer.

Ces grands types d’écoulement souterrain ont été postulés initialement par le très réputé hydrogéologue M. Toth (figure 2). Il n’y a pas dans l’absolu de « barrières imperméables ». À l’équilibre dans les conditions naturelles, les eaux de moindre salinité « flottent sur les eaux plus salines » en raison de leur densité moindre. Mais toutes perturbations dans les pressions d’eau affectent immédiatement les gradients, les vitesses et les directions d’écoulement. Je connais particulièrement bien des cas où des simples travaux d’excavation ont fait remonter en fond d’excavation des eaux très salines des grandes profondeurs (ex. travaux de construction du puits de pompage de la centrale d’épuration des eaux de la CUM).

Figure 2- Les écoulements souterrains à l’échelle de toute une région.

« Il s’agit ici d’une méprise fondamentale du concept de gravité. La roche imperméable empêche l’eau douce de s’écouler vers le bas. La force motrice ici est la gravité. Comme tout bon fermier pourra vous le dire, l’eau doit être pompée hors d’un puits » (réf.1, p.7). Il est inquiétant de constater le niveau plus que sommaire dans la compréhension de l’hydrogéologie des experts qui s’expriment dans le document « Debunking Durand » si on se rapporte à cette citation.

La discussion précédente décrivait la circulation des eaux souterraines. Les auteurs de la réf. 1 traitent de façon plus générale des fluides. Dans le contexte d’une analyse appliquée à l’exploitation des shales gazéifères, nous devons évidemment tenir compte du fluide le plus omniprésent : le gaz méthane. Il a une masse volumique de 0,67 Kg/m3 à la pression normale. C’est 1492 fois moins que celle de l’eau douce (1000 kg/m3) et environ la moitié de celle de l’air. Ce fluide va toujours chercher à monter vers le haut, qu’il soit sous l’eau, dans les fractures du roc, même à l’air libre, le méthane monte : ce fluide ne descend pas ; la citation suivante est fausse : « … les fluides observent de façon générale la loi de la gravité et descendent vers le bas » p.1 (réf.1).

Toutes les voies naturelles, plus toutes les nouvelles voies artificiellement créées par l’industrie du gaz de schiste (ex. : les fractures ouvertes par la fracturation hydraulique, les trous de forage mal cimentés, ou de cimentage dégradé après quelques années/décennies, etc.), vont permettre à ce gaz de monter vers les nappes phréatiques et ensuite vers l’atmosphère.

Les nappes phréatiques (zone A figure1) sont en général assez bien étudiées* car elle constituent la source d’approvisionnement en eau en milieu rural. Les conditions hydrogéologiques qui se rapportent aux couches plus profondes sont par contre très mal étudiées car il est beaucoup plus coûteux et complexe d’y analyser les paramètres que nous avons cités plus haut dans ce texte. L’injection à très haute pression de fluide de fracturation modifie de façon considérable les gradients. La perméabilité est modifiée de façon irréversible ; en fait elle est augmentée de plusieurs ordres de grandeur dans le shale et de façon inconnue dans les couches juste au-dessus. Nous n’avons pas pu trouver aucune étude ou modélisation de ces modifications hydrogéologiques. Nous entrons ici dans une expérimentation à grande échelle dans un domaine totalement inconnu, sans aucun outil prévisionnel.

Les seules informations disponibles sont les rapports de plus en plus nombreux d’impacts considérables et généralisés sur les nappes des régions où on a pratiqué la fracturation hydraulique. Ces études sont encore bien fragmentaires, mais les indications que les concentrations de méthane dans l’air ont peut-être augmenté dans ces régions devrait être élucidées avant de poursuivre plus à fond ce développement.

Note:
sauf celles du Québec, qui a un retard considérable dans ce domaine, comme l’a mentionné le BAPE (réf.2).

Références :

1- Anonyme* 2012. Debunking Durand / Démystification des propos de Monsieur Marc Durand,  ogsaq / afspg, 7 et 8 p. (* les auteurs de cette attaque personnelle n'ont pas osé s'identifier...)

2- BAPE février 2011. Rapport d’enquête et d’audience publique – Dév. Durable de l’industrie des gaz de schiste au Québec, 324 p.

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