Le rôle de la pression hydrostatique pour maintenir(?) le méthane dans le shale

Lors des présentations du BAPE le 10 avril 2014*, il y a eu une question bien pertinente sur la possibilité qu’il y ait des fuites de gaz dans les puits après leur fermeture : le commissaire demande à l’expert du MDDEFP (ministère de l'environnement du Québec): «  quelle quantité sort lorsqu’on ferme le puits et qu’on a fini d’extraire les pressions qui sont intéressantes à exploiter? » (p.33)

L’expert répond : « Ce n’est pas une préoccupation ailleurs, parce que c’est une mauvaise interprétation de la science. Si on remplit le puits d’eau, la colonne d’eau va générer plus de pression que la roche en bas qui veut libérer du gaz naturel. O.K.? Le mille mètres (1000m) d’eau dans la colonne d’eau va pousser plus fort contre la roche que le gaz dans la roche va pousser pour sortir dans le puits. Le raisonnement de monsieur Durand est faux. » (p.33)

C’est assez catégorique comme explication et en plus, on « fusille d’avance » tout ceux qui penseraient autrement, dont moi nommé directement dans la dernière phrase de la citation. Quel est donc le rôle exact de la pression hydrostatique par rapport au méthane qui fuit. Lors de ses longs témoignages, cet expert a donné des chiffres pour des fuites mesurées dans certains puits de la Montérégie qui sont actuellement sous la supervision de son ministère. À noter que tous ces puits sont fermés actuellement; il y a donc dans ces puits une colonne d’eau qui génère une pression hydrostatique. Cela s’applique dans ces puits comme dans celui de la figure ci-dessous. Comment alors expliquer des fuites si la colonne d’eau pousse plus fort ?

Figure 1 Schéma de fuite de gaz dans l’espace annulaire d’un puits. Des données de la figure sont tirées du document DB12 du BAPE**

La profondeur sous la nappe h multipliée par le poids volumique ( ɣ :  poids/unité de volume, i.e. pour l’eau douce: 1 tonne/m³) donne la valeur de la pression hydrostatique :   P = ɣ.h

À la profondeur de 1000m par exemple, que ce soit au fond d’un lac ou bien au fond d’un puits dans l’eau qui est dans l’espace poreux entre le tubage et le roc, on aura dans les deux cas 100 bars de pression. On devrait préciser ‘environ’ 100 bars, car nous simplifions ici un calcul plus complexe qui devrait tenir aussi compte de la densité réelle de l’eau (plus que 1,0 si elle est saline et aussi sous pression, etc.). Une bulle de méthane qui se crée dans la vase argileuse au fond d’un lac a exactement la même pression que celle de l’eau au fond de ce lac. La poussée de l’eau n’empêche absolument pas la bulle de remonter vers le haut. Ce n'est pas la pression qui détermine si la bulle de gaz remonte, c'est plutôt simplement son poids, qui est plus léger que celui du volume d'eau qu'elle occupe.

La figure 1 montre dans la zone sous la loupe trois bulles de méthane : 1 est emprisonnée dans la porosité du shale et dissoute dans le fluide local,  2 est en bordure d’une fracture et s’apprête à remonter le long du tubage, 3 est une bulle arrivée dans l’eau du puits.Toutes ces bulles de fluides sont comprimées par la pression ambiante. Le méthane peut remonter le long de conduits poreux remplis d’eau en raison d’un paramètre : son poids volumique, ou sa densité plus faible que celle de l’eau. La pression de l’eau n’a aucun effet sur ce phénomène à l’origine des fuites.

Le méthane est même moins dense que l’air, (figure 2), donc il remonte vers le haut dans l’eau, et même dans l’air, pour une seule raison : le contraste de densité. La pression de l’eau n’est pas la cause. Archimède a tranché cette question scientifique il y a 2250 ans !

Figure 2  Combien pèse un mètre cube de méthane?  de CO2?  d’air?  La figure ci-dessus donne ces valeurs pour la pression normale. Cela varie avec la pression comme pour tous les fluides. Pour l’eau pure (non représentée) c’est 1000 Kg/m³ (à la température 4°C et à la pression normale 1 atm), donc >1400 fois plus dense que le méthane (0,67Kg/m³).

Si on comprend bien que la bulle No 3 (dans la figure 1) va remonter et que la 2 va la suivre également, qu’en est-t-il de la bulle 1 encore prise dans le shale? Elle est comprimée par une pression encore plus élevée que la pression hydrostatique de l’eau; elle peut avoir comme pression interne la valeur que lui donne le poids du roc qui surmonte toute cette couche de roc. C’est ce qu’on nomme la pression lithostatique. Cette pression est approximativement égale au poids des roches surincombantes dont la densité est environ 2,8 fois celle de l’eau. À 1000 m de profondeur, la pression peut donc être estimée a priori à 280 bars. Les pressions et contraintes (forces/unité de surface) dans le roc sont plus complexes à évaluer, car on a alors un milieu solide. Nous n’entrerons pas ici dans les neuf composantes des tenseurs de contraintes et des modules de déformations associés. Préoccupons nous seulement de la bulle No 1 ; la pression du fluide dans les pores confinés du shale peut être n’importe quoi entre la valeur lithostatique et la valeur hydrostatique (entre 100 et 280 bars dans notre exemple).  La pression dans la bulle de gaz dans les pores du roc va être certainement plus élevée que le 100 bars de la pression dans le bas de la colonne d'eau à 1000 m de profondeur

Une chose est certaine, cette bulle No 1 a une pression plus grande que 100 bars et il y a un gradient de pression positif entre sa position actuelle et la sortie. Le fluide 1 va suivre le chemin des deux précédentes, et ainsi de suite de proche en proche, le shale libère le méthane sous haute pression dans sa matrice. Le processus est le même, tant durant la production commerciale que lorsque le puits est fermé et abandonné. Tant qu’il reste du gaz en pression dans la matrice du shale, ce gaz va chercher à migrer. Cela se fait en grands volumes pendant les premières années commercialement intéressantes en termes de débit. La pression de l’eau ne pourra  jamais pousser plus fort que la pression du gaz de shale.

Cette évidence existe déjà dans la nature. Par exemple, si une faille ou une fracture perméable existe dans le roc (une est montrée F à gauche sur le figure 1), le méthane peut suivre cette voie naturelle et remonter jusqu’en surface.  Vu le grand âge de cette discontinuité, le débit de méthane se situe à de très faibles valeurs sur une queue courbe de débit en décroissance exponentielle depuis des siècles; mais la fuite naturelle existe et on retrouve à l’occasion des indices de méthane thermogénique ayant remonté jusque dans le bas d’une nappe phréatique. Si la voie de communication existe, l’eau la remplit. Le méthane remonterait cette voie, avec ou sans eau. Là aussi c’est seulement l’effet des contrastes de densité qui joue, car à toute profondeur pendant la remontée, les pressions s’équilibrent.

L’eau qui pousse plus fort sur le gaz, pour l’empêcher de sortir vers la fracture, c’est une théorie inusitée,  évidemment fausse et farfelue exprimée lors d’un témoignage présenté par le BAPE comme « expert » du MDDEFP.

* Document DT12 à ce lien: https://archives.bape.gouv.qc.ca/sections/mandats/gaz_de_schiste-enjeux/documents/DT12.pdf  index 1305.
** Document DB12 à ce lien:  https://archives.bape.gouv.qc.ca/sections/mandats/gaz_de_schiste-enjeux/documents/DB12.pdf p. 13.

N.B. Ce texte est le douzième d’une série de réponses données à des questions techniques:
Réponses à des questions techniques

1) La pertinence de la solution Gaz de Schiste  VS Charbon.
2) La pollution des nappes de surface.
3) Les liens entre fracturation hydraulique et contaminations des nappes.
4) Les fuites de méthane.
5) La pression dans les puits au moment de l'abandon.
6) Le contrôle de la fracturation hydraulique.
7) La réalité sur l'épaisseur de couverture pour protéger les nappes.
8) L'extension réelle de la fracturation hydraulique.
9) Les séïsmes induits par la fracturation hydraulique.
10 - Fuites de méthane dans les puits gaziers
11 - Est-ce que les failles sont vraiment des "autoroutes" pour la circulation d'eau souterraine? Ou sont-elles recimentées et donc imperméables comme le soutiennent des experts de l'industrie?