La modélisation de la fracturation hydraulique au service des bonnes pratiques environnementales
Ces dernières années, les progrès de la technologie de la fracturation hydraulique (FH) ont permis d’extraire du pétrole et du gaz dans des formations de schiste profondément enfouies dans le sol. On avait jusqu’alors considéré qu’il n’était pas rentable d’exploiter ce type de formation géologique. Dans la FH classique, un fluide de fracturation sous pression, par exemple de l’eau ou de l’acide gélifié, est injecté par pompage dans un puits de forage. Des additifs solides, comme le sable, sont ensuite mélangés au fluide afin de maintenir les fractures ouvertes, offrant ainsi des voies d’accès directes au pétrole ou au gaz dans le puits. Certaines innovations récentes, notamment le forage directionnel, l’utilisation de volumes élevés de fluide de fracturation et les améliorations apportées à la lubrification des fluides, ont fait de la FH une option encore plus attrayante. «En Europe, plusieurs bassins schisteux ont été identifiés comme propices au développement de cette solution», indique Timon Rabczuk, coordinateur du projet BESTOFRAC, affilié à l’université du Bauhaus de Weimar, en Allemagne. «Les plus grands réservoirs identifiés jusqu’à présent se trouvent en Pologne et en France.»
Une modélisation précise des processus de fracturation
Le recours à la FH fait néanmoins l’objet de vives controverses. Ses détracteurs affirment qu’elle présente de graves risques environnementaux, notamment la contamination des ressources d’eau souterraines, l’épuisement des réserves d’eau douce, ainsi qu’un accroissement du risque d’activité sismique. «La situation est compliquée par le fait que les produits chimiques utilisés dans la FH n’ont pas été entièrement divulgués malgré les demandes pressantes de la population», ajoute Timon Rabczuk. «Cela complique sérieusement la surveillance de la contamination de surface, car les scientifiques ne savent pas exactement quelles sont les substances à détecter.» L’objectif du projet BESTOFRAC, entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, consistait à mieux comprendre l’impact de la FH en développant des outils de modélisation et d’analyse plus précis. Nous pourrions alors optimiser les processus de FH et évaluer plus précisément les risques environnementaux. «La précision des modèles dépend de notre capacité à comprendre la physique des processus de la FH et à analyser les variables caractérisant ces processus», explique Timon Rabczuk. «Ces variables comprennent les pressions et les taux d’injection de fluide, les compositions chimiques des fluides, ainsi que le nombre de zones fissurées par FH et l’espacement entre ces dernières.»
Prendre en compte les variables liées à la fracturation hydraulique
Afin de prendre en compte ces variables, le projet a développé de nouveaux modèles et méthodes de calcul. «Les partenaires impliqués ont développé différentes approches informatiques», fait remarquer Timon Rabczuk. «D’autres partenaires se sont concentrés sur des tests en laboratoire à échelle réduite, et une entreprise a fourni des données in situ.» Des simulations réalistes de FH ont permis à l’équipe du projet de se faire une idée plus précise de certaines questions environnementales cruciales. Il s’agissait entre autres de savoir comment la FH interagit avec les fractures naturelles, comment les réseaux de fractures évoluent, et comment on peut empêcher les fractures de se propager aux couches rocheuses adjacentes. Les avancées du projet ont notamment permis de modéliser des réseaux de fractures complexes pendant les opérations de FH en tenant compte simultanément des interactions entre les déformations des roches et les flux de fluides. L’équipe du projet a développé une plateforme de partage de données, susceptible de bénéficier à d’autres chercheurs. Elle a également commencé à exploiter des approches basées sur l’apprentissage automatique, afin de traiter des données volumineuses et de limiter les simulations fastidieuses.
Des opérations optimisées de fracturation hydraulique
Le projet BESTOFRAC a obtenu un certain nombre de résultats marquants, qui pourraient à terme déboucher sur des opérations de FH optimisées et plus respectueuses de l’environnement. De nombreux modèles du projet ont depuis été mis à la disposition du public, en complément de la plateforme de partage des connaissances. «Certains de nos modèles et méthodes pourraient être implémentés dans des logiciels commerciaux», indique Timon Rabczuk. «Cela pourrait être le sujet de futures collaborations, et nous avons déjà quelques partenaires industriels dans ce domaine. Le fait d’implémenter nos modèles dans un cadre commercial aiderait l’industrie à répondre directement à certaines questions clés concernant les pratiques liées à la FH.» Le projet a également permis à de jeunes chercheurs de bénéficier d’une formation interdisciplinaire en informatique, en géotechnique minière, en géomécanique et en techniques de modélisation et de simulation.
Mots‑clés
BESTOFRAC, fracturation, gaz, pétrole, environnement, hydraulique, schiste, forage
