Introduction
Le gaz de couche, également connu sous le nom de méthane de houille (CSM) ou méthane houiller (CBM), est une source d'énergie de plus en plus importante. Cet article explore en détail la définition du gaz de couche, sa formation géologique, les techniques d'extraction, et les enjeux environnementaux et économiques associés à son exploitation.
Qu'est-ce qu'un gaz ?
Avant de plonger dans la spécificité du gaz de couche, il est essentiel de comprendre ce qu'est un gaz en général. Un gaz est un ensemble de particules en mouvement aléatoire et chaotique, entrant constamment en collision les unes avec les autres et avec les parois de tout récipient. Le volume réel des particules est minime par rapport à l'espace total qu'elles occupent, ce qui explique pourquoi les gaz remplissent tout volume disponible et sont facilement compressibles.
La vitesse moyenne des molécules de gaz est de l'ordre de plusieurs centaines de mètres par seconde, et elles entrent en collision des milliards de fois par seconde. Ce mouvement constant est facilement observable en libérant une petite quantité de gaz odorant dans une pièce, qui se répand rapidement dans tout l'espace. Un volume de gaz à la même température et à la même pression contient le même nombre de molécules, quelle que soit la nature du gaz, ce qui rend la mesure des gaz par volume très pratique.
Bien que les différents gaz aient des densités différentes, ils ne se séparent pas totalement en couches en fonction de leur densité. Par exemple, en cas de fuite de gaz naturel (méthane), le gaz aura tendance à monter parce qu'il est plus léger que l'air, mais le mouvement constant signifie qu'il y aura une concentration considérable au niveau du sol.
Transition énergétique et le rôle du gaz naturel
La transition énergétique, qui consiste à abandonner les énergies fossiles au profit d'énergies renouvelables, est devenue une nécessité reconnue par la plupart des acteurs. Cette transition est motivée par deux raisons principales :
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- Les hydrocarbures, principale source d'énergie, sont des ressources fossiles dont les réserves ne sont pas inépuisables.
- Les émissions de gaz à effet de serre doivent être réduites pour éviter un dérèglement climatique.
Cependant, cette transition prendra des décennies, durant lesquelles l'approvisionnement en hydrocarbures devra être assuré. Le gaz naturel, abondant et moins polluant que le charbon ou le pétrole, jouera un rôle important dans cette transition. On prévoit que sa consommation passera de 3.1012 mètres cubes en 2007 à 4,4 tmc en 2030. Dans les pays émergents, comme la Chine et l'Inde, la consommation devrait augmenter de plus de cinq pour cent par an jusqu'en 2030.
Les réserves prouvées mondiales de gaz naturel conventionnel sont d'environ 180 tmc, soit 60 ans de consommation, et les ressources ultimes récupérables dépassent les 470 tmc. D'un point de vue chimique, les gaz conventionnels et non conventionnels sont identiques : il s'agit de méthane (CH4). Cependant, contrairement au gaz conventionnel qui est concentré dans des gisements, les gaz non conventionnels sont répartis dans des couches géologiques de façon plus diffuse.
Les différents types de gaz non conventionnels
On distingue trois types de gaz non conventionnels :
- Le gaz de schistes
- Le gaz de houille (gaz de couche)
- Les gaz de réservoir ultracompacts, nommés tight gas
Il est à noter que les hydrates de méthane constituent également une forme non conventionnelle de gaz, mais leur exploitation est encore hypothétique.
Formation du gaz de couche
Le gaz de couche est le gaz naturel contenu dans les charbons. Ce gaz est généralement produit à partir de couches de charbons qui sont trop profondes ou de trop mauvaises qualités pour être exploitées en mine. Le gaz de couche est le plus souvent récupéré à partir de puits verticaux quand la fracturation naturelle du dépôt de charbon est suffisante pour obtenir un débit significatif de méthane. Dans le cas inverse, on utilise la fracturation hydraulique.
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Une partie du gaz de houille peut être contenue dans les fractures du charbon, mais la majeure partie du méthane est adsorbée sur le charbon lui-même. La quantité de méthane adsorbé dépend du « rang » du charbon (plus la proportion en carbone augmente, plus ce rang est élevé), ainsi que de sa nature. Pour libérer le méthane adsorbé et lui rendre sa forme gazeuse, la pression environnante doit diminuer.
Exploitation du gaz de couche
La production commerciale de gaz de houille a commencé aux États-Unis à la fin des années 1980 et a atteint son plateau de production en 2004 à 50 milliards de mètres cubes, soit dix pour cent de la production nationale. Les autres pays produisant une quantité significative de gaz de houille sont le Canada avec neuf milliards de mètres cubes (quatre pour cent de la production) et l'Australie avec 3,5 milliards de mètres cubes (neuf pour cent de la production).
Malgré des réserves de charbon importantes, la Russie ne semble pas vouloir exploiter le gaz de houille, car les projets de développement seraient en concurrence avec la production fondée sur ses vastes réserves de gaz conventionnels. Selon la localisation des gisements de gaz de houille et notamment leur proximité des gazoducs existants, les modèles de commercialisation diffèrent, allant de la construction locale de centrales électriques à l'alimentation de zones résidentielles et industrielles ou même pour le transport.
Gaz de couche et sécurité minière
Le gaz de houille est présent dans les mines de charbon, où il est responsable des dangereux « coups de grisou ». On les prévient grâce à des petits forages creusés en avant du front de taille d'où le méthane est extrait, ce qui diminue les risques d'explosion. Les mines de charbon sont une des sources importantes de méthane relâché dans l'atmosphère, où il participe à l'effet de serre. Sa récupération en avant du front de taille réduirait ces émissions.
Techniques d'extraction du gaz non conventionnel
L'extraction des gaz non conventionnels, y compris le gaz de couche, nécessite des techniques spécifiques pour surmonter les défis liés à la faible perméabilité des roches. Les deux principales techniques utilisées sont le forage horizontal et la fracturation hydraulique.
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Forage horizontal
Le forage horizontal consiste à forer un puits vertical jusqu'à la couche géologique contenant le gaz, puis à dévier le forage horizontalement à travers la couche. Cette technique permet d'augmenter considérablement la surface de contact entre le puits et la formation rocheuse, ce qui facilite l'extraction du gaz. Les coûts de forage horizontal ont diminué grâce à la généralisation de la technique, rendant l'exploitation commerciale viable.
Fracturation hydraulique
La fracturation hydraulique consiste à injecter de l'eau sous forte pression dans la formation rocheuse pour créer des fractures artificielles. Avec l'eau, on injecte du sable fin et des additifs chimiques qui empêchent les fractures créées de se refermer. Ces fractures deviennent alors des drains qui canalisent le méthane contenu dans la roche vers le puits.
Cependant, la fracturation hydraulique soulève des préoccupations environnementales, notamment en raison des composés chimiques utilisés, tels que des produits gélifiants, des antibactériens et des acides. Une partie de l'eau injectée (10 à 20 %) reste dans la formation et pourrait contaminer les nappes phréatiques traversées par le forage. Des mesures de précaution, telles que le cimentage et le scellement du puits de forage sur les 300 à 400 premiers mètres de profondeur, sont essentielles pour minimiser les risques de contamination.
Gaz de schistes
Les gaz de schistes consistent surtout en du méthane retenu dans des roches argileuses riches en matières organiques. Ces argiles ont été enfouies à des profondeurs où les conditions de température et de pression sont favorables à la formation du gaz. Quand le milieu est parfaitement imperméable, les hydrocarbures créés sont piégés dans la roche-mère. Plusieurs mécanismes expliquent cette rétention. Les argiles sont le plus souvent dépourvues de porosité, mais à mesure de l'enfouissement, la matière organique se transforme en hydrocarbures qui occupent moins de place. Une porosité secondaire apparaît alors, d'autant plus importante que ces argiles sont riches en matière organique.
Ces argiles ont été enfouies à de grandes profondeurs pour pouvoir contenir du méthane. Cependant, pour minimiser les coûts de production, on explore des argiles sises entre seulement 500 et 2 500 mètres de profondeur : ces roches ont été soulevées par des mouvements tectoniques, qui le plus souvent créent également une fracturation naturelle.
Pourquoi exploiter les gaz non conventionnels ?
Alors que les réserves prouvées de gaz conventionnels sont de plus de 60 ans (selon la consommation actuelle), la production des gaz non conventionnels, qui nécessite des techniques complexes et des coûts d'extraction élevés, est nécessaire pour plusieurs raisons :
- Indépendance énergétique : Les réserves de gaz naturel conventionnel ne sont pas uniformément réparties dans le monde. Les quatre pays ayant les réserves les plus importantes (Russie, Iran, Qatar et Arabie saoudite) représentent plus de 55 % de ces réserves. En revanche, les conditions géologiques favorables à la présence de gaz non conventionnels se trouvent dans de nombreux bassins sédimentaires.
- Pallier l'épuisement du gaz conventionnel : Aux États-Unis et en Australie, la montée en puissance des gaz non conventionnels correspond au déclin des gisements conventionnels. Dans ces pays, les nouvelles ressources non conventionnelles permettent d'utiliser les infrastructures déjà existantes et de satisfaire un marché bien structuré.
Enjeux environnementaux de l'extraction des gaz non conventionnels
La production des gaz non conventionnels, y compris le gaz de couche, pose des défis environnementaux importants.
- Utilisation de l'eau : La fracturation hydraulique nécessite d'importantes quantités d'eau. Une partie de cette eau est récupérée lors de la production, mais une autre partie reste dans la formation, ce qui peut entraîner une contamination des nappes phréatiques.
- Risques de contamination : Les composés chimiques utilisés dans les fluides de fracturation peuvent contaminer les sols et les eaux souterraines en cas de fuite ou de déversement.
- Empreinte au sol : L'exploitation des gaz non conventionnels nécessite un grand nombre de puits, ce qui peut entraîner une altération du paysage, une atteinte à la biodiversité et un impact sur la vie des populations avoisinantes.
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