Photo: KEITH SRAKOCICLes chercheurs au Tyndall Centre à l'université de Manchester, en Angleterre, ont enquêté sur les impacts du gaz de schiste sur l'environnement et les changements climatiques. L'exploitation du gaz de schiste, ou de shale, est bien lancée aux États-Unis et devra commencer bientôt en Grande-Bretagne.
Voici la 4e partie d'une traduction libre du rapport préliminaire du Tyndall Centre for Climate Change Research. Le texte original est ici: http://www.tyndall.ac.uk/shalegasreport avec un lien pour télécharger le rapport en format pdf de 87 pages.
Le titre du rapport est:
"Shale gas: a provisionnal assessment of climate change and environmental impacts - A research report by The Tyndall Center, University of Manchester with Sustainable Change Co-operative, Report commissioned by The Co-operative. January 2011"
Les eaux usées (fluid return)
Une fois la procédure de fracturation elle-même est faite, des fluides reviennent à la surface et cette étape est appelé "flowback". Le fluide flowback récupéré des puits est entre 9% et 35% des fluides de fracturation pompés dans les puits horizontaux dans le Marcellus de la partie nord de la Pennsylvanie, mais l'EPA des É.-U. (2010) précise que les estimations des fluides récupérés varient de 15% à 80% des volumes injectés, dépendant du site.
Chaque puits d'un site de plusieurs forages (multi-well pad) générera entre 1,300 et 23,000 mètres cubes de fluides usées de flowback durant le procédé, composés d'eau, de chimiques de fracturatioin et des contaminants du sous-sol dilués pendant le procédé, dont des composés organiques toxiques, des métaux lourds et du matériel radioactif naturel (NORM). De même, n'importe quel fluide de flowback qui n'est par récupéré demeure sous terre où l'on s'inquiète que cela devient, ou deviendra, une source de contamination pour les autres formations géologiques, dont les aquifères. Les quantités qui demeurent sous terre équivalent à l'inverse des volumes récupérés, c'est à dire de 1,300 à 23,000 mètres cubes par puits.
Environ 60% de la quantité totale de flowback survient dans les premières 4 journées après la fracturation et peut être récupéré ainsi:
- circuler au travers une soupape pour verser dans un bassin de rétention avec toile imperméable
- circuler au travers un "choke" étrangleur pour verser dans un bassin de rétention
- verser dans des citernes
Le stockage de l'eau de flowback permet aux opérateurs de la réutiliser le plus que possible pour des opérations futures de fracturation, par exemple, dans d'autres puits sur le même site. Ceci pourrait exiger une dilution avec de l'eau douce et employer d'autres méthodes de traitement nécessaires pour rencontrer les caractéristiques nécessaires pour s'en servir. On ne connaît pas la quantité possiblement réutilisable d'eaux usées puisque qeu les conditions varient d'une fois à l'autre. Les dimensions et capacité de stockage des bassins sur le site ainsi que les citernes varient également, mais si l'on se base sur les quantités calculées ci-haut, la capacité totale devrait dépasser les volumes attendus des eaux de flowback d'une seule opération de fracturation d'un puits, soit entre 1,300 et 23,000 mètres cubes.
Un opérateur a rapporté un volume typique de bassin de rétention comme étant de 750,000 gallons (2,900 mètres cubes). Si on évalue la profondeur d'un bassin d'être de 3 mètres, l'empreinte de surface d'un bassin serait d'environ 1,000 mètres carrés (0,1 hectare). Vu la grande quantité d'eaux usées de flowback, des citernes temporaires de stockage pourraient être nécessaires sur le site, même si un bassin avec une toile imperméable est disponible. En se fiant sur la capacité d'un bassin typique, cela pourrait dire que la capacité de stockage d'environ 20,000 mètres cubes additionnels pour les eaux usées de flowback pour une seule fracturation dans un seul puits.
Pour ce qui est de la quantité totale de flowback, le volume d'eau pour un site de 6 puits, on pense que 7,900 à 138,000 mètres cubes par site pour une seule fracturation, avec les chimiques de fracturation et les contaminants souterrains comptant pour jusqu'à 2% du volume, soit de 160 à 2,700 mètres cubes. Environ 60% des eaux totales de flowback remontent dans les premiers 4 jours après la fracturation, pour continuer en diminuant pour une période de 2 semaines environs.
2.2.4 La pré-production - la durée des opérations de surface et les exigences en transport
La table 2.4 résume les opérations, les matériaux, les activités et les durées typiques des activités avant la mise en production d'un site à plusieurs puits (multi-well pad). En se fiant sur la durée des activités, la durée totale des activités de pré-production pour un site de 6 puits forés va de 500 à 1,500 jours d'activités, en assumant qu'il n'y aura pas de chevauchement entre les activités. En réalité, il y a un potentiel limité de chevauchement.
La table 2.4 dénomme les routes d'accès, la construction du site (well pad), les équipements lourds (pelleteuses, bulldozer) pour déplacer la terre, le déboisement et le débroussaillage, la mise à niveau, la construction du pad, la mise en place des matériaux des routes d'accès comme la toile géotextile et les graviers.
Cela prend jusqu'à 4 semaines par "pad" ou site.
Il y a le forage vertical avec une petite tour de forage, une citerne de diesel, un porte-tuyaux, de l'équipement de contrôle du puits, les véhicules du personnel, les bâtisses d'appoint, les camions de livraison, les coffrages de surface, de forage, d'exploitation et de cimentation, les voyages de camion pour la livraison de l'équipement et le ciment.
Les livraisons de l'équipement pour le forage horizontal peut commencer plus tard pendant les étapes de forage vertical. Cela prend environ 2 semaines par puits, un ou deux puits à la fois. Il y a ensuite la préparation pour le forage horizontal avec la plus grosse tour de forage, le transport, l'assemblage et la mise en place, ou le repositionnement de la grosse tour de forage et ses équipements accessoires sur le site. Cela prend de 5 à 30 jours par puits de forage.
Le forage horizontal, la tour de forage horizontal, le système de boues de forage (pompes, citernes, les contrôles des solides, les séparateurs de gaz), les citernes de diesel, l'équipement de contrôle du puits, les bâtiments accessoires, les camions de livraison. Le forage et le cimentation du coffrage de production, les voyages de camion pour la livraison de l'équipement et le ciment. Les livraisons pour la fracturation hydraulique pourraient commencer durant les dernières étapes du forage horizontal. Jusqu'à 2 semaines par puits foré, un ou deux puits forés à la fois.
La préparation pour la fracturation hydraulique: le démontage de la tour de forage, enlever et replacer l'équipement de forage, les voyages de camions pour la livraison des citernes temporaires, l'eau, le sable, les additifs et d'autre équipement de fracturation. Les livraisons peuvent commencer durant les dernières étapes du forage horizontal: de 30 àm 60 jours par puits foré, ou par site (well pad) si tous les puits sont traités durant une mobilisation.
Le procédé de fracturation hydraulique: des citernes temporaires pour l'eau, les génératrices, les pompes, les camions de sable, les camions de livraison d'additifs et des contenants, des mélangeurs, les véhicules du personnel, les bâtiments accessoires dont l'équipement de monitorage informatisés. Le pompage des fluides et l'usage des équipements de câbles entre les étapes de pompage pour lever et rabaisser les outils employés pour la préparation du trou de forage et la prise des données. Le monitorage informatisé, la livraison en continue de l'eau et des additifs. De 2 à 5 jours par puits, incluant de 40 à 100 heures de pompage.
Les eaux usées de flowback et leur traitement: les séparateurs de gaz et d'eau, la torchère, les citernes temporaires pour l'eau, les unités mobiles de traitement d'eaux usées, les camions pour transporter les eaux usées ailleurs si nécessaire, les véhicules du personnel. Le démontage de la tour de forage, le démontage ou déplacement de l'équipement de fracturation, le transfert contrôlé des fluides dans les équipements de traitement, les citernes, les bassins scellés avec des toiles, le stockage ou les gazoducs, les voyages de camions pour transporter les eaux usées ailleurs si non stockées en place ou transportées par pipeline. De 2 à 8 semaines par puits foré, peut se chevaucher pour plusieurs puits.
La disposition des déchets: de l'équipement lourd, des camions avec les pompes (pump trucks), les camions de transport de déchets. Il y aura du pompage et de l'excavation pour vider ou réhabiliter les bassins de rétention ou de stockage. Des voyages de camions pour transporter les déchets vers des dépotoirs ou des centres de traitement. Jusqu'à 6 semaines par puits foré.
Le nettoyage du site et les tests: têtes de puits, la torchère, les citernes de saumure. L'équipement lourd, les torchères, et le monitorage. Les voyages de camion pour vider les citernes de saumure. La construction des lignes de transport du gaz peut commencer à ce stage-ci si ce n'est pas déjà fait. De 0,5 à 30 jours par puits foré.
Durée totale des activités pour toutes les opérations avant la production pour un site de 6 puits (six well multi-well pad): 500 à 1,500 jours.
L'état de New York (2009) nous donne aussi un estimé du nombre de voyages de camion pour le site. Ils sont résumés dans la Table 2.5 (qui est reproduite ici-bas dans cette entrée de blog) qui dénombre le nombre de voyages par puits foré et par site de forage en calculant un site avec 6 puits forés. Cela donne un nombre total de voyages de camions entre 4,300 et 6,600 duquel 90% d'entre eux sont pour l'opération de fracturation hydraulique.
2.2.5 La phase de production
La production: Une fois le forage et les opérations de fracturation hydraulique sont complétés, une tête de puits pour la production (exploitation) est mise en place pour saisir et transférer le gaz pour le transformer via un gazoduc, ou une ligne de gaz. La production d'un puits de forage sur un site peut commencer avant que les autres puits soient complétés.
Pour ce qui est des volumes de production, un opérateur avançait ces chiffres d'exploitation à long terme pour un seul puits dans le Marcellus dans l'état de New York (New York State, 2009):
- Première année: à un rythme initial de 2,800 millions de pieds cubes (Mcf)/d pour ralentir à 900 Mcf/d
- De la 2e année jusqu'à la 4e: 900 Mcf/d pour ralentir à 550Mcf/d
- De la 5e année jusqu'à la 10e: 500 Mcf/d pour ralentir à 225Mcf/d
- Pour la 11e année et les suivantes: 225 Mcf/d pour ralentir au rythme de 3% par année
La re-fracturation
Comme on peut le constater, la production d'un puits baisse considérablement après 5 ans environ. Dans plusieurs documents, dont ceux de l'état de New York de 2009, on mentionne que les opérateurs peuvent décider de re-fracturer à nouveau un puits pour en prolonger sa vie économique. Cela peut se produire en dedans des 5 années après qu'il soit complété mais peut se faire à moins d'un an ou après 10 ans, et peut se faire plusieurs fois au même puits. C'est difficile de généraliser sur les fracturations hydrauliques subséquentes, mais quand cela se produit, les mêmes procédures, le même équipement, les mêmes ressources et les mêmes quantités d'eaux usées seront générées.
2.2.6 La fermeture d'un puits
Quand la vie productive du puits est terminée, ou quand il n'y a pas de gaz à extraire, les puits sont scellés et abandonnés. Sceller le puits correctement est une étape critique pour la protection de l'eau souterraine, les eaux de surface et les sols. Pour sceller un puits, il faut ôter l'équipement du trou de forage. Les coffrages cimentés dans des régions critiques doivent être soit enlevés ou perforés, et le ciment doit être placé au travers ou coincé à ces endroits pour s'assurer que l'on isole les zones d'hydrocarbures des zones qui contiennent de l'eau. Des bouchons de ciment dans le trou du puits sont ajoutés en plus du scellé en ciment qui est déjà là comme décrits plus haut.
Les intervalles entres les bouchons doivent être remplis avec des boues denses ou des fluides. Pour les puits de gaz, en plus des bouchons de ciment dans les trous de forage, un minimum de 15 mètres de ciment doit être coulé à la tête du trou de forage pour empêcher les fuites d'hydrocarbures ou de saumures.
2.2.7 La consommation des ressources pour livrer l'équivalent de 10% de la consommation de gaz en Grande-Bretagne.
Les tableaux 2.6 et 2.7 résument les données qui viennent de la discussion ci-haut au sujet des activités et des ressources requises pour le développement des sites de puits de gaz de schiste pour des puits qui ne seront pas refracturés et ceux qui le seront.
Table 2.6: Sommaire des ressources sans refracturation:
Activité: 6 puits forés verticalement sur un site d'une profondeur de 2,000 mètres et 1,200 mètres horizontalement. Surface du site de forage: 1,5 à 2 hectares. Volume de rognures de roc de forage: 827 mètres cubes. Volume d'eau pour la fracturation hydraulique: 54,000 mètres cubes à 174, 000 mètres cubes. Volume de chimiques de fracturation (2% du volume total): 1,080 à 3,480 mètres cubes. Volume d'eaux usées de flowback: 7,920 à 137,280 mètres cubes. Volume de chimiques dans les eaux usées de flowback (à 2% du volume total): 158 à 2,746 mètres cubes. Total de journées d'activités à la surface avant la production: 500 à 1,500 jours. Total de voyages de camions: de 4,315 à 6,590.
Table 2.7: Sommaire des ressources si il y a une refracturation pour un site forés avec 6 puits forés verticalement à une profondeur de 2,000 mètres et horizontalement pour 1,200 mètres. Comme au-dessus, mais le volume d'eau va de 27,000 à 87,000 mètres cubes. Volume de chimiques de fracturation à 2%: de 540 à 1,740 mètres cubes. Volume d'eaux usées de flow-back: 11,880 à 205,920 mètres cubes. Quantité de chimiques dans les eaux usées de flowback à 2%: 237 à 4,119 mètres cubes. Total de journées d'activités à la surface avant la production: de 700 à 1,990 jours. Total de voyages de camions: de 6,325 à 9,565 voyages de camions.
La plupart des données mentionnées ci-haut se concentrent sur les activités sur un site d'un puits foré ou d'un site à plusieurs puits forés (6 forages par site). Par contre, l'exploitation du gaz de schiste, pour fournir des volumes importants de gaz, nécessite plusieurs puits forés par site et plusieurs sites. En se basant sur des volumes typiques venant de la production d'un seul puit, c'est possible de calculer la quantité minimum de puits forés et de sites de puits nécessaire pour fournir une production soutenue annuelle (sur une période de 20 ans) qui serait équivalente à 10% de la consommation annuelle de la Grande-Bretagne ( la consommation annuelle en gaz en G.-B. en 2008 était d'environ 90bcm). Nous avons calculé combien de puits en production seraient nécessaires dès la première année pour atteindre une production de 9bcm (en se basant sur la production dans la première année), combien de nouveaux puits entrant en production la deuxième seraient nécessaires pour contre-balancer la production en baisse des puits en production de la première année, combien de nouveaux puits devraient commencer à produire dans la 3e année pour contre-balancer la baisse de production des puits qui ont commencé à produire dans la 1e année et la 2e, etc. sur une période de 20 ans.
Durant la durée de vie d'un puits, le rendement décroit très rapidement durant les 5 premières années. Une analyse des puits du Barnett (Berman, 2009), par exemple, avance que la durée de vie moyenne d'un puits horizontal dans le shale n'est que de 7 ans environ. Ainsi, on prend pour acquis que les puits ne sont plus économiquement rentable dès la 8e année et après, et la production cesse. Pour ce qui est du scénario de la re-fracturation, on a pris pour acquis que 50% des puits sont fracturés une fois et le rendement de ceux-ci sont 25% plus productifs que les puits non-fracturés.
La décroissance rapide en productivité d'une année à l'autre veut dire que des nouveaux puits et des nouveaux sites de puits doivent être en développement continuellement afin de soutenir un rendement de 9bcm/année. Sur une période de 20 ans, entre 2,600 et 3,000 puits (ou de 430 à 500 sites de forages) devraient être développés pour livrer une quantité annuelle de gaz équivalente à 9bcm/année. Le tableau 2.8 indique le total des ressources nécessaires pour exploiter cette quantité. La surface totale de terrain nécessaire pour cette intensité d'exploitation est également estimé. Ici, comme mentionné dans la section 2.2.1, la distribution des 1,25 à 3,5 sites par kilomètres carrés au-dessus de la formation de shale est requise et cette densité a été utilisée pour calculer le nombre de sites requis pour exploiter le 9bcm/année.
Table 2.8: les ressources nécessaires pour exploiter 9bcm/année pendant 20 ans ( 10% de la consommation en G.-B. en 2008) en ne prévoyant pas de re-fracturation, en assumant qu'il y aurait qu'une refracturation sur 50% des puits ( permettant une augmentation de rendement de 25% pour ces puits-là).
La suite de la traduction libre de cette étude portera sur l'exploitation et les réserves aux États-Unis, l'historique et les prévisions en production aux États-Unis et en Grande-Bretagne dans une entrée de blog prochainement.
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