La fracturation hydraulique en géotechnique est l'exploitation de la pression d'un fluide, généralement de l'eau, pour créer puis propager une fracture dans une couche de roche dans le sous-sol. La fracturation hydraulique est réalisée après forage dans une formation rocheuse contenant des hydrocarbures (pétrole ou gaz naturel).
L’objectif est d’augmenter la perméabilité. Avec l'amélioration de la perméabilité, la production de pétrole ou de gaz contenu dans le sous-sol est améliorée et son taux de récupération augmente.
Les fractures hydrauliques dans les roches peuvent être à la fois naturelles et créées par l'homme ; Ils sont créés et agrandis par la pression du fluide contenu dans la fracture. Les fractures hydrauliques naturelles les plus courantes sont les barrages et les couvertures de rives, ainsi que les fissures causées par la glace dans les régions au climat froid.
De cette façon, les fractures créées ne peuvent pas se refermer en cas de baisse de pression de l’eau.
Avantages et inconvénients de la fracturation hydraulique
La fracturation hydraulique, ou fracturation hydraulique, est une technique qui soulève une série d'aspects à considérer, tant positifs que négatifs. Ci-dessous, nous expliquerons ces aspects en détail.
Aspects économiques
L’un des principaux avantages de la fracturation hydraulique est sa capacité à accéder à des réserves de gaz auparavant considérées comme inaccessibles. Cela apporte des avantages significatifs aux pays, aux communautés locales et à l’industrie dans son ensemble. De plus, cela contribue à l’indépendance énergétique des pays, ce qui a des implications géostratégiques positives.
Impact sur la lutte contre le changement climatique
Initialement, la fracturation hydraulique a reçu le soutien de divers secteurs, notamment de groupes environnementaux, car la combustion du gaz naturel génère moins d'émissions de CO2 que la combustion du charbon ou du pétrole.
Cependant, des recherches ultérieures ont remis en question les avantages de cette technique dans la lutte contre le changement climatique.
D’une part, le gaz naturel (CH4) est un puissant gaz à effet de serre, et son rejet direct dans l’atmosphère au cours du processus d’extraction soulève des préoccupations environnementales. D’un autre côté, certains experts estiment que la course à l’exploitation de ces ressources pourrait ralentir le développement de sources d’énergie renouvelables véritablement propres.
En outre, l’augmentation mondiale de la consommation d’énergie pourrait entraîner un changement climatique, indépendamment des améliorations de l’efficacité énergétique.
Impact sur les eaux souterraines
La fracturation hydraulique suscite des inquiétudes quant à une éventuelle contamination des puits et des aquifères qui approvisionnent les communautés en eau potable.
Bien que l'industrie affirme que les barrières de ciment dans les forages empêchent la migration de substances nocives dans les couches d'eau souterraine, des recherches menées par des institutions telles que l'Université Duke et l'EPA ont démontré la présence de méthane, de solvants chimiques et d'autres substances dans des échantillons d'eau à proximité des forages.
Impact sur les eaux de surface
Au cours du processus de fracturation hydraulique, une partie considérable du mélange d’eau, de produits chimiques et de sable injecté dans les forages retourne à la surface. Cette eau peut emporter avec elle des substances piégées en profondeur, ce qui en fait un déchet très polluant.
En cas de fuites dans les rivières et les plans d'eau de surface, cela peut conduire à des catastrophes environnementales, comme l'incident de Dunkard Creek en 2009, où la vie indigène dans la rivière a été gravement affectée en raison des rejets illégaux d'eau des centres de forage.
Des alternatives ont été proposées comme le traitement dans des stations d'épuration traditionnelles, même s'il est difficile de purifier complètement ces eaux, notamment en ce qui concerne les substances radioactives comme le radium.
Risques sismiques dérivés
Les techniques de fracturation micro-hydraulique des sédiments peuvent, dans certains cas, générer une microsismicité induite très localisée.
L'intensité de ces microséismes est généralement assez limitée, mais des problèmes locaux de stabilité des sols peuvent survenir lorsque les sédiments sont peu profonds.
Utilisation et applications de la fracturation hydraulique
La fracturation hydraulique permet l'extraction d'hydrocarbures à partir de roches perméables (par exemple, calcaire compact, ainsi que grès et argile cimentés), à partir desquelles ils s'écouleraient autrement en quantités telles qu'elles permettraient une extraction à un rythme économiquement viable. L’utilisation de la fracturation hydraulique rend l’obtention d’énergie fossile moins coûteuse en rendant l’obtention de combustibles fossiles moins coûteuse.
Par exemple, la fracturation permet d’extraire du gaz naturel à partir de roches bitumineuses, un matériau extrêmement imperméable.
Autres utilisations
Bien que la principale utilisation industrielle de la fracturation hydraulique soit de stimuler l’extraction de combustibles fossiles, le pétrole et le gaz naturel, elle est également utilisée dans :
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la construction de puits d'eau.
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préparer les roches pour le forage minier
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réaliser des procédés pour réduire les pertes (généralement fuites d'hydrocarbures)
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éliminer les fuites en injectant dans des formations rocheuses appropriées
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comme méthode pour mesurer les contraintes dans la croûte terrestre.
La fracturation hydraulique étape par étape
Ci-dessous, nous expliquons la technique pour réaliser la fracturation hydraulique étape par étape :
Génération de fracturation hydraulique
Premièrement, une fracture hydraulique est générée en injectant un fluide de fracturation dans le puits, en appliquant suffisamment de pression pour surmonter le gradient de fracture de la roche.
Cela entraîne la formation d'une ou plusieurs fissures qui permettent au fluide de pénétrer, provoquant une extension supplémentaire.
Utilisation d'un agent d'assistance
Pour maintenir la fissure ouverte une fois l'injection de fluide arrêtée, un matériau solide appelé agent de soutènement est ajouté. Ce matériau est généralement composé de granules sélectionnés de sable de quartz ou de microsphères de céramique.
L’incorporation de ce matériau dans les fractures créées par la fracturation empêche leur fermeture complète, préservant ainsi un canal hautement perméable à travers lequel le fluide combustible fossile sera extrait.
Restauration de la perméabilité
Lorsqu'un puits est foré, des éclats de roche et des débris sont générés qui peuvent s'infiltrer dans les fissures et les pores de la paroi du puits, scellant partiellement la fracture et réduisant sa perméabilité.
La fracturation hydraulique est une technique qui permet de rétablir un débit adéquat à partir du réservoir. Pour cette raison, c’est devenu une pratique courante dans tous les puits forés dans des formations peu perméables.
Fluides et matériaux utilisés
Le fluide injecté dans les puits de fracturation peut être de l'eau, du gel, de la mousse ou du gaz comprimé, tel que l'azote, le dioxyde de carbone ou l'air comprimé.
De plus, différents types de matériaux de support solides sont utilisés, principalement du sable, mais aussi du sable enduit de résine ou des sphères de céramique.
Surveillance et évaluation des fractures
Pour évaluer la taille et l'orientation des fractures générées, une surveillance microsismique est effectuée pendant le processus de fracturation, qui implique l'installation de réseaux de géophones dans les puits adjacents.
En détectant des microséismes liés à la croissance des fractures, il est possible de déduire la géométrie approximative de ces dernières.
De plus, des informations précieuses sur les contraintes induites dans les formations rocheuses sont obtenues en plaçant des réseaux inclinométriques.
Équipements et composants utilisés dans la fracturation
L'équipement de fracturation utilisé dans les champs pétrolifères comprend un mélangeur dynamique, une ou plusieurs pompes haute pression à haut débit et une unité de surveillance sismique.
Des réservoirs, des canalisations haute pression, des unités d'additifs et des manomètres sont également nécessaires pour surveiller la pression, le débit et la densité du fluide pendant l'injection.
Les valeurs de pression et de débit du fluide varient considérablement au cours des différentes phases du processus, en commençant par une basse pression et un débit d'environ 265 litres par minute dans la phase initiale, et en augmentant la pression jusqu'à atteindre 100 MPa dans la phase de contrainte, avec une diminution progressive du débit.
Origine de la fracturation hydraulique
La technique d'amélioration de la productivité d'un puits de pétrole grâce à la fracturation hydraulique remonte aux années 1860, lorsqu'en Pennsylvanie, grâce à l'utilisation de nitroglycérine, la production de certains puits forés dans des roches solides a été améliorée.
La technologie de fracturation consistant à appliquer une pression sur la roche à l'aide d'un fluide hydraulique, pour stimuler l'approvisionnement en pétrole à partir de champs moins productifs, a été mise au point aux États-Unis en 1947 par la Stanolind Oil and Gas Corporation dans le champ Hugoton au Kansas.
La première entreprise à breveter une technique de fracturation hydraulique fut la société Haliburton Well Cementing Oil en 1949. Cette pratique, compte tenu de l'augmentation de la production qu'elle entraînait, se répandit rapidement pour la première fois dans l'ensemble de l'industrie pétrolière américaine, puis dans tout le monde.