L’expérience du Mont Terri : une étude de la perméabilité des roches couvertures et des zones hydrauliques perturbées

Le CO₂ stocké dans le sous-sol peut s’échapper d’un réservoir de deux manières :

• Premièrement par le trou de forage utilisé pour injecter le CO₂ dans le sous-sol ou par des anciens forages abandonnés
• Deuxièmement par des zones naturelles perturbées de la roche couverture qui doit isoler le CO₂ stocké dans le réservoir.

Notre expérience se concentre sur les zones perturbées. Celles-ci n’influencent pas seulement le stockage à long terme du CO₂, mais également l’apparition de microséismes. Les zones perturbées actuelles ont donc une incidence sur l’analyse de la sécurité et des risques, la surveillance et la vérification, ainsi que sur la gestion des risques.

L’échappement de CO₂ n’est pas encore complètement élucidé

Actuellement, on ne comprend pas encore complètement les processus physiques qui régissent l’échappement de CO₂ à travers les zones perturbées par des failles géologiques. Se posent alors des questions de recherche complexes qui visent le comportement des zones perturbées lorsqu’elles entrent en contact avec des fluides riches en CO₂.

Les simulations numériques de la fuite de CO₂ le long de zones perturbées ont fait de grands progrès ces dernières années. Mais il nous manque toujours des données spécifiques au CO₂ provenant d’observations expérimentales, particulièrement concernant les interactions entre processus géoméchaniques et géochimiques.

L’élargissement d’une fissure peut représenter un phénomène complexe où interagissent des processus thermiques, chimiques et mécaniques (voir figure 1). L’augmentation de la température due au frottement statique et au frottement de glissement dans une zone perturbée en est un exemple. Elle va modifier les conditions locales de pression qui, à leur tour, influencent la vitesse des interactions entre la roche et les fluides qu’elle contient. La décomposition de minéraux primaires et l’élimination de minéraux secondaires ont des effets sur la porosité de la roche et donc sur sa perméabilité, et modifie ainsi le comportement de la circulation des fluides. La manière dont les fluides, comme de CO₂ dissous dans de l’eau salée par exemple, agissent sur ces processus n’est pas encore complètement élucidée.

Figure 1 : Couplage de la croissance des fissures et des processus mécaniques, chimiques et thermiques. Ces mécanismes ont un lien rétroactif qui rend les processus dépendants les uns des autres (avec l’aimable autorisation du Prof. M. Violay).

Expériences dans la roche

Dans le cadre du projet ELEGANCY, nous avons la possibilité d’observer directement dans la roche les effets des injections de CO₂ dans les zones perturbées et de suivre leurs voies d’écoulement.

La priorité est mise sur l’étude de la stabilité des roches argileuses fracturéeset la question de l’interaction entre cisaillements, pression des pores, voies d’écoulement et microséismicité, quand celle-ci est présente. Les roches argileuses, par leur étanchéité, forment une roche couverture de choix pour le stockage de CO₂.

A côté des modélisations, l’expérience se base sur des stimulations à petite échelle (cm) menées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri. C’est la première fois que l’on injecte sur place et surveille de CO₂ dissous dans de l’eau salée et réactif. A cet effet, on fore un trou d’injection le long de la zone perturbée principale et des trous d’observation (figure 2). Cette conception expérimentale est unique : Elle permet d’observer sur place la complexité des processus en interaction décrits auparavant à l’aide de méthodes de mesure très précises et de corréler les différentes échelles par la modélisation.

Nous allons injecter, en deux cycles, de l'eau salée enrichie de CO₂ et deux traceurs, ceci à des pressions situées en dessous de la pression minimale de 32 bar nécessaire à l’ouverture des fissures. Les injections en cours pendant huit mois sont dirigées vers le centre de la zone perturbée principale dans un premier cycle, puis vers la zone de fracture contiguë au centre de la zone perturbée dans un deuxième cycle.

Nous allons d’abord pratiquer plusieurs injections pulsées à des pressions atteignant celle de l’ouverture des fissures (40 bar) pour tester le comportement de la zone perturbée. Ce test sera renouvelé à la fin des huit mois pour comparer les résultats. Est-ce que le recours à de l'eau salée contenant du CO₂ va déclencher un mouvement asismique ou sismique le long de la zone de faille locale ? C’est ce qui nous intéresse particulièrement ici.

Il est prévu dans le cadre du projet d’injecter au maximum quelques décilitres de l'eau salée enrichi de CO₂ par semaine. En comparaison : Le projet de stockage de CO₂ en mer du Nord du projet commercial Sleipner injecte 0,85 millions de tonnes de CO₂ par an. Plus de 17 millions de tonnes ont été injectées depuis le début du projet Sleipner. Dans un autre projet, Chevron Australie a l’intention d’injecter 3,4 à 4 millions de tonnes de CO₂ par an.

Surveillance de l’expérience

Le système d’observation distribué dans six forages tout autour du trou d’injection combine différentes techniques pour surveiller l’expérience. Il comprend des capteurs sismiques actifs et passifs qui enregistrent les différentes vitesses de propagation des ondes générées par les injections et d’éventuels microséismes qui en résultent.

S’ajoutent encore les capteurs de déformation qui enregistrent des décalages micrométriques lors de l’activation d’une zone perturbée. Des capteurs électriques de conductivité et de pH enregistreront l’arrivée du fluide dans les forages d’observation et nous montreront comment se répartit le fluide et à quelle vitesse il migre.

Enfin, nous prélèverons des échantillons de roches avant et après chaque expérience. Ils seront soumis à des examens pétrophysiques et géomécaniques pour déterminer l’ampleur de la modification géomécanique de la zone perturbée. Des échantillons seront prélevés du fluide durant l’expérience pour examiner la modification géochimique en se basant sur l’interaction entre la roche et le fluide. Le monitoring du site commencera déjà deux mois avant le début des injections et se terminera seulement quatre mois après la dernière injection.

Mieux comprendre à une petite échelle

Contrairement aux projets réels de stockage de CO₂ de grande envergure, nous examinons dans le cadre de notre expérience la fuite potentielle de CO₂ à une très petite échelle. Néanmoins, les résultats acquis aideront à mieux comprendre les processus significatifs qui contribuent à l’échappement de CO₂ à travers des zones perturbées. Cette expérience livre ainsi une contribution à une meilleure caractérisation des sites.

Neuf chaires de cinq organismes de recherche qui font tous partie du Swiss Competence Center for Energy Research – Supply of Electricity mènent ensemble cette expérience.

Figure 3 : Calendrier et courbe de pression dans les cycles durant l’injection de huit mois. FOP=pression d’ouverture des fissures, Fpmin=pression minimale pour l’ouverture des fissures (avec l’aimable autorisation du Dr. A. Rinaldi).