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Gaz de schiste: présentation détaillée

Alors que la France s’intéresse enfin depuis quelques années aux opportunités de l’exploitation du gaz de schiste, il est difficile de se constituer un avis sur la question, par manque d’informations. L’objectif de cet article est de permettre au lecteur de comprendre ce qu’est le gaz de schiste, comment il se forme et comment il est exploité aujourd’hui.

1. Le gaz de schiste, qu’est-­ce que c’est ?

a. Origines géologiques

Contrairement à ce que son nom laisse entendre, le gaz de schiste n’est pas issu de roche qui se débite en feuillet, comme les schistes métamorphiques ou les schistes ardoisiers (ceux qui donnent les fameuses ardoises).

Au contraire, le gaz de schiste est contenu dans des sols marneux et argileux. Le terme de « gaz de schiste » n’est donc pas le mieux adapté, il aurait fallu parler de gaz de marnes par exemple. Cette erreur de traduction de l’anglais « shale gas » est rentrée dans le langage courant, et nous parlerons donc ici du gaz de schiste.

schiste marnes

Le gaz de schiste provient des mêmes sources que tous les hydrocarbures. Pétrole et gaz se forment dans des roches-mères, issues de la transformation de sédiments. Ceux-ci se forment par dépôt des matières organiques, par exemple au fond de l’océan. Au fil des années, ils sont recouverts par d’autres et forment des « couches » de sédimentation – qui deviennent de plus en plus solides. La matière organique que ces sédiments contiennent se transforme en hydrocarbures sous l’action de la chaleur et de la pression du sol.

Les gaz et le pétrole ont une densité plus légère que l’eau et migrent naturellement vers la surface de la terre. S’ils parviennent à effectuer leur migration, ils entrent dans l’atmosphère. Mais il arrive que les hydrocarbures soient bloqués par une couche de roche plus dure et ils forment alors des réservoirs classiques d’hydrocarbures. Quand la roche mère est trop dure, trop imperméable, les gaz y restent piégés, – ce sont les gaz de schiste.

La localisation du gaz de schiste, au sein d’une roche mère peu perméable, est ce qui le distingue des gaz conventionnels. C’est la seule différence entre gaz naturel et gaz conventionnel.

Profondeur des gaz : entre 3000 et 5000 mètres de profondeur.

schiste profondeur approximative

b. Particularités chimiques

Les différents types de gaz, conventionnel comme non conventionnel, ont la même constitution chimique : du gaz naturel (méthane) et de l’huile de schiste. L’huile de schiste correspond au pétrole brut présent dans la roche.

Certains « schistes » possèdent des capacités de production supérieure à d’autres : en général ils sont riches en matière organique (jusqu’à 25%), et sont des roches où le pétrole s’est transformé en gaz sous l’action de la chaleur et de la pression. Ce sont ces schistes en particuliers qui sont recherchés pour la production du gaz éponyme.

Il existe trois types de gaz non conventionnel: le gaz de schiste, le tight gaz et le gaz de charbon . Tous les trois sont du gaz, du méthane. Un type de gaz est non conventionnel quand, pour être exploité, la roche qui le contient doit subir un traitement particulier.

Le grisou (autre nom du gaz de charbon) est du méthane prisonnier des couches géologiques de charbon. Redouté par les mineurs, il était responsable des fameux « coups de grisou », les explosions souterraines qui coutaient la vie tous les ans à de nombreux casques noirs . On arrive aujourd’hui à le canaliser et l’extraire des couches de charbon trop profonde.

Le « tight gas » est un gaz à mi chemin entre le gaz traditionnel qui a pu migrer et le gaz de schiste, prisonnier de sa roche-mère. Il n’est pas exploitable aujourd’hui.

schiste gaz non-conventionnel

c. Applications et usages

Le gaz et le pétrole sont actuellement les deux principales sources d’énergie exploitées, malgré le développement des énergies renouvelables. A moyen terme, et pour conserver les niveaux de vie et de consommation actuelle, ainsi que des coûts de l’énergie faibles, le gaz de schiste apparaît comme une solution économique viable.

Le gaz joue un rôle essentiel dans de nombreux secteurs économiques.

Le secteur résidentiel, (le chauffage des habitations et la cuisson), représente 38% de la consommation européenne de gaz. Pour faire diminuer la consommation de gaz, il est nécessaire de développer les énergies renouvelables et de travailler à la meilleure isolation des logements. Toutefois, il sera difficile de faire baisser tendanciellement cette utilisation du gaz.

L’industrie, et en particulier l’industrie chimique, est le deuxième plus gros consommateur de gaz, à hauteur de 34% en Europe. Il sert à de matière première à de nombreux alliages, à la fabrication de méthanol, d’ammoniac, pour le raffinage du pétrole, les solvants, les engrais, les plastiques, les résines…. Bref sans le savoir, le gaz est omniprésent dans notre vie et notre consommation via ses transformations industrielles.

Certaines centrales électriques utilisent le gaz comme combustibles pour faire chauffer l’eau, (la vapeur entraîne les turbines productrices d’électricité). Elles remplacent avantageusement les centrales à charbon, tant pour leurs coûts qu’en terme de pollution. Certaines innovations ont permis d’obtenir des rendements impressionnants et surtout diminuer fortement les coûts : les centrales à gaz combiné permettent d’atteindre des rendements de 55% contre 40% pour les anciennes centrales à gaz.

Le gaz naturel est de plus en plus utilisé dans les transports, pour des raisons environnementales : sa combustion pollue bien moins que celle du pétrole. Ce sont principalement les véhicules publics, (transports en commun, bennes..), et les voitures au GPL (gaz de pétrole liquéfié). Le gaz naturel émet moins de dioxyde de carbone lors de sa combustion que les autres hydrocarbures. Pour un gigajoule de chaleur produite, le gaz naturel rejette 55kg de dioxyde de carbone, le pétrole 75 et le charbon 100.

schiste voiture gaz naturel

2. Techniques d’exploitation et de production

a. Une longue phase de prospection

Plusieurs années d’étude préalables, avec différentes phases, doivent être menées avant l’exploitation d’un gisement.

Une phase d’étude

En premier lieu il faut localiser le gisement dans le sous sol et en connaitre l’étendue. Les géologues doivent étudier la roche mère, ses caractéristiques géologiques, son épaisseur, sa composition en minéraux.

Pour se faire, les géologues prélèvent des « carottes « dans le sol, utilisent les données sismiques, les déblais d’anciens forages…. En général l’étude prend entre une et deux années pour être complétée.

Leur connaissance permet de juger de la forme et des caractéristiques du gisement et sa réaction à la fracturation hydraulique.

Une phase d’évaluation de la roche

Elle dure entre 1 et 2 ans. Pour juger des potentialités du gisement, il faut pouvoir creuser des puits verticaux expérimentaux qui permettent de relever des carottes de terres et de roches très précises sur de grandes profondeurs. On connaîtra alors également la porosité et la perméabilité de la roche, et donc la composition du mélange en eau et sable et additifs à envoyer dans le sous sol.

Une phase d’étude environnementale

En parallèle des études géologiques sont produites des études environnementales essentielles à la bonne marche du projet. Les aquarifères, ces roches contenant des nappes d’eau souterraines, sont inventoriées, les équilibres biologiques caractérisés pour en comprendre les ressources et mesurer l’impact des forages.

Les industriels n’ont pas intérêt à la catastrophe. L’opinion publique a une forte influence sur leur activité, surtout en Europe. Pour respecter les législations et prendre en compte les interrogations du public, les industriels doivent rassurer sur leurs pratiques et leur cahier des charges à travers la communication de leur activité. Le risque zéro n’existe pour aucune exploitation de gaz, mais il est possible de faire diminuer fortement les risques.

schiste forage risque

Une phase d’évaluation de la rentabilité du gisement

Des essais de fracturations doivent être produits sur le terrain en lui-même pour évaluer le gisement. Cette évaluation est normalement complétée par des études sismiques. Elle permet de connaitre quelles sont les conditions les plus favorables à l’extraction du gaz de schiste, (chaque zone ayant ses spécificités), et en combien de temps le coût des puits sera amorti.

L’entreprise ne peut savoir la rentabilité ou non du gisement que 5 à 6 ans après le début de la prospection. Le processus de prospection est une phase de recherche, très coûteuse en investissement, qui nécessite d’avoir des entreprises aux reins solides et déjà bien équipées.

b. Forages verticaux et horizontaux

Le principe de l’extraction du gaz de schiste est très simple: On fore un trou pour atteindre le gaz situé très en profondeur, puis on fracture la roche pour permettre au gaz de circuler et enfin on récupère le gaz par ces mêmes trous.

Tout commence donc par le forage.

Les forages verticaux

Les forages verticaux pour capter des hydrocarbures existent depuis plus de 150 ans. Les premiers puits de la ruée vers l’or noir américaine étaient tous des forages verticaux, comme nous le rappelle There will be blood, le film de Paul Thomas Anderson, ou Lucky Luke !

schiste forage vertical

Forages obliques et horizontaux

Récemment ont été inventés des systèmes de forages obliques et même horizontaux, ce qui permet de suivre les couches sédimentaires et d’atteindre plusieurs réservoirs de gaz sans que la surface de la terre soit impactée. Ces forages peuvent atteindre des distances de 2000 à 3000 mètres.

Les forages horizontaux, prouesse d’ingénierie, sont essentiels dans le cas de l’exploitation du gaz de schiste : en creusant un puits vertical qui débouche sur de la roche, on ne peut récupérer qu’une très faible quantité de gaz. Les forages horizontaux permettent d’éviter ce problème et d’augmenter la production des puits.

En général, les ingénieurs commencent par creuser un puits vertical de 1500 à 3000 mètres de profondeur, puis un puits horizontal, et forment un « maillage » du sous-sol.

schiste forage sous-sol

c. Fracturation hydraulique

Sous le régime de l’U.R.S.S., les chercheurs soviétiques ont envisagé la possibilité de fracturer la roche à coups d’explosions nucléaires souterraines, ce qui aurait produit un spectacle assez douloureux à la surface. Heureusement, on n’en est jamais arrivé là. C’est avec de l’eau sous pression que la fracturation hydraulique est produite.

La pression de la roche augmente avec la profondeur, simplement en raison du poids des roches au dessus. L’objectif de la fracture hydraulique est de produire une pression sur la roche qui soit supérieure à celle de la roche elle-même. En effet, si le liquide de forage est fortement pressurisé, il va s’insinuer dans la moindre fracture, là où la contrainte de pression sera plus faible, dans les microfissures déjà présentes dans la roche. L’eau, en pénétrant la roche, permet d’écarter les bords des microfissures.

Le sable que l’on ajoute à l’eau pour fracturer la roche s’infiltre lui aussi dans les microfissures. Comme il est poreux, il empêche les fissures de se refermer tout en laissant passer le gaz, alors sous forme liquide. Le sable consiste en 99.5% du mélange envoyé sous terre. Les 0.5% autre sont des additifs comme :

  • La gomme de guar (comme pour les gâteaux), un épaississant qui permet au gaz de rester sous forme de « gel ».
  • Des bactéricides, pour empêcher la prolifération bactérienne dans le puits.
  • Un lubrifiant, pour favoriser la pénétration du gaz dans les microfractures
  • Des détergents, qui permettent la désorption du gaz (le contraire de l’absorption : le gaz sort de l’eau)

schiste composition liquide fracturation hydraulique

La fracturation est la seule étape qui différencie entre le gaz conventionnel et non conventionnel : une fois la roche fracturée, leur extraction et leur utilisation sont en tout point semblable, et ce jusqu’à épuisement des puits, soit une dizaine d’années. Cette technique de la fracturation hydraulique permet un taux de récupération du gaz de 20 à 40%.

La fraction hydraulique est utilisée depuis 1948 et plus de 10 000 fracturations sont effectuées chaque année, y compris pour la production de l’eau potable.

Il n’y a pas encore d’alternative à la fracturation hydraulique, bien que de nombreuses pistes soient à l’étude, comme l’utilisation d’arc électrique, le remplacement de l’eau par le propane ou l’hélium chauffé.

schiste extraction forage hydraulique

3. Le gaz de schiste dans le monde

Contrairement au gaz conventionnel, tous les continents possèdent du gaz de schiste, puisqu’il se forme partout où il y a eu sédimentation. Si les chiffres sont encore incertains, on avance aujourd’hui que les réserves de gaz de schiste seraient du même ordre de grandeur que celles du gaz conventionnel.

schiste presence continents

a. Amérique du Nord

L’extraction du gaz de schiste aux Etats-Unis est déjà la norme. En 2011, 14% de la production de gaz était du gaz de schiste, et on devrait être aujourd’hui autour de 25 à 30%. L’intérêt pour ce gaz ne se dément pas, et il joue un rôle croissant dans le mix énergétique du pays.

Les Etats-Unis ont une histoire énergétique qui fut, dès les débuts, tournée vers l’extraction du gaz de schiste. Le tout premier forage de gaz en 1821 était un puits de gaz de schiste. La technologie balbutiante et la concurrence du gaz conventionnel, ont relégué le gaz de schiste aux oubliettes pour un siècle et demi, avant l’engouement qu’on lui prête aujourd’hui.

Le poids des contraintes administratives à l’exploitation du gaz est moindre aux Etats-Unis, ce qui explique l’avance prise par le pays. Par exemple, la loi fédérale américaine permet au propriétaire du sol d’exploiter les ressources du sous-sol à son profit.

Une loi a été promulguée pour obliger les propriétaires terriens à accepter les forages miniers sur leur propriété , ce qui permet d’éviter les mouvements NIMBY (Not In My Backyard). La production d’énergie sur le sol américain est définit par l’Etat fédéral comme un bien public d’intérêt général, ce qui n’est pas du tout le cas en Europe.

Les Etats-Unis possèdent des conditions de production aujourd’hui optimales. Une décennie de pratique leur ont permis de former leur ingénieurs et techniciens. Le matériel est au point, les coûts de maintenance sont en baisse constante, la recherche progresse, y compris grâce à des entreprises européennes comme Total ou GDF Suez. Ces entreprises ne peuvent pas faire de la recherche sur le territoire français à l’heure actuelle.

L’exploitation des gaz de schiste représente une manne pour le développement et l’emploi : Selon un rapport de l’ACC (American Chemistry Council), 46 000 emplois directs ont été créés, 264 000 emplois indirects dans les industries de fournitures, et près 1.2 millions d’emplois temporaires pendant la phase d’investissement.

Cette phase d’investissement, entre 2010 à 2020, est une phase de recherche et de projets, qui comptabilise plus de 71 milliards de dollars injectés dans l’économie. Le coût de l’énergie est aujourd’hui 4 fois plus faible aux Etats Unis qu’en Europe et 6 fois plus faible qu’en Asie, ce qui explique, pour une bonne part, des inégalités de compétitivité entre entreprises américaines et européennes, surtout dans les industries chimiques.

Au Canada, les forages ont commencé, et permettent une constante augmentation de la production. Le pays possèdent d’immenses réserves (11 000 milliards de mètres cubes selon l’EIA). Toutefois, si la Colombie Britannique et l’Alberta accélèrent le rythme de la production, le Québec a posé un moratoire : la province disposerait de suffisamment de ressources renouvelables pour se passer des gaz de schiste.

Les Etats-Unis et le Canada sont un champ de recherche et d’avancée technologique dont nous pourrions nous inspirer sur la question des gaz de schiste.

schiste amerique du nord

b. Amérique du Sud

Deux pays ont des réserves de gaz de schiste particulièrement importantes : le Mexique et l’Argentine.

Au Mexique, la situation de l’exploitation des hydrocarbures est critique. Le géant national du Pétrole, Pemex, est dépassé technologiquement pour l’extraction du pétrole et ne fait plus d’investissements dans le secteur de la recherche : son budget est trop ponctionné par l’Etat mexicain. Le gaz de schiste pourrait être une solution pour réajuster la demande et l’offre de gaz. Mais l’augmentation de la production n’est possible que si un transfert de compétences d’ingénierie entre les firmes américaines et Pemex a lieu. La législation pourrait évoluer en faveur de partenariats avec les pays étrangers, ce qui était, jusqu’alors, impensable.

Le Mexique aurait intérêt à développer la filière : ses réserves sont estimées à 681 tcf (milliers de milliards de pieds au cube, une unité anglo-saxonne…).

Les dirigeants de l’Argentine ont tenté systématiquement de faire en sorte que la production locale d’énergie serve surtout le marché national, ce qui ne correspond pas aux attentes des géants de la production de l’énergie. A moins que l’Argentine ne développe sa propre filière, il est probable que ses ressources restent encore largement inexploitées.

En bref : les pays de l’Amérique latine ne dispose pas, pour le moment, des ressources technologiques suffisantes pour exploiter le gaz de leur sous sol. Ils devront s’appuyer à court terme sur les grandes entreprises mondiales qui connaissent le sujet : Repsol, ExxonMobil ou Total.

c. L’Europe n’a pas de pétrole, mais du gaz et des idées pour l’exploiter

L’Europe dépend d’énergies importées, qui sont loin d’être environnementalement irréprochables.

L’Europe est toujours soumise à la contrainte des importations russes, qui représente 50% du total de la consommation européenne. Les coûts des transports représentent 15 à 20% du total des factures, l’acheminement par gazoduc étant particulièrement long. Hors le déclin du gaz traditionnel (le « gas peak » a été atteint en 2012), et donc par ricochet l’augmentation des prix devrait jouer en faveur des productions locales de gaz de schiste.

Les énergies importées par l’Europe ne sont pas indiscutablement propres. Certains pays fournisseurs ont peu ou pas de législation, dans d’autres les industriels sont responsables de vastes pollutions au détriment de la population locale. Il est donc étrange d’entendre que le gaz ne doit pas être produit en France pour des raisons de sécurité environnementale et que les risques sont importants. A l’heure actuelle, l’Europe consomme un gaz produit dans des conditions indignes.

Avec un cahier des charges contraignant et des directives européennes strictes, le gaz de schiste pourrait être beaucoup plus sûr en Europe que dans ces pays. Pour une fois que les industriels réclament des législations bruxelloises contraignantes et appuient la prudence européenne … Il semblerait que les enjeux environnementaux soient compris et appréhendés à leur juste mesure, notamment grâce aux expériences étrangères.

L’Europe n’a pas seulement des idées, elle possède aussi des réserves importantes de gaz, qui peuvent se transformer en production locale.

L’Europe de l’Ouest surtout possède des réserves prometteuses. Les secteurs les plus rentables seraient les régions Sud Est et Est en France, le Lancashire pour le Royaume-Uni, en Allemagne les régions de l’ouest… Pourtant, aucune de ses réserves n’est exploitée à l’heure actuelle, à part en Bulgarie.

schiste rocard france

Une première phase d’exploration avait débuté en 2010 en France, notamment par l’attribution de 64 permis d’exploration (pas d’exploitation). Mais un moratoire gouvernemental, instauré en 2011, a brutalement arrêté les recherches dans le secteur, au détriment des acteurs nationaux. La stratégie de la France est attentiste: plutôt que de développer la recherche sur le territoire, le gouvernement attend que les technologies soient développées ailleurs, aux Etats-Unis par exemple, avant de les importer.

gaz schiste france

Il semblerait que d’autres pays soient mieux disposés envers la filière et ses recherches. En Hongrie, le premier puit a été creusé en 2009. En Pologne, bien que les réserves aient été surévaluées (5300 milliards de mètres cubes) par l’Energy Information Administration, les premiers forages ont commencé. L’argument de l’indépendance énergétique vis-à-vis de la Russie est bien compris par la population de l’Europe de l’Est, qui semble prête à payer le prix du gaz de schiste.

d. Asie

Le principal producteur de gaz d’Asie est la Chine. Le duopole pétrole – charbon sur lequel repose la production de l’énergie chinoise coûte (très) cher et la Chine ambitionne donc de doubler sa production en gaz d’ici à 2015. Il devrait entrer à hauteur de 10% dans le mix énergétique de la Chine en 2030 (30 milliards de mètres cubes).

Se pose alors la question de la formation des ingénieurs et des groupes chinois, qui ne peuvent assurer aujourd’hui ces objectifs sans l’aide des entreprises étrangères. L’objectif fixé pour 2010, 10 milliards de mètres cubes, n’a pas pu être atteint. Shell s’est implanté sur le territoire, les autorités chinoises ont pris 2% de participation dans Total, et le président Américain s’est engagé à partager les techniques d’extraction.

Il est fort à parier que la production du gaz chinois connaîtra un développement exponentiel dans les années à venir.

e. Afrique

L’Afrique, et notamment l’Algérie, possèdent des ressources non négligeables. Équivalentes même, selon le Ministère de l’Energie, à près de 17 000 mètres cubes. L’Algérie est aujourd’hui le quatrième exportateur de gaz au monde. Les premiers puits ont été creusés en 2011, et il semblerait que la production soit à la hauteur des ambitions du pays.

schiste pipeline afrique