Aquifères superficiels et gaz de shale: le rôle des failles et des réseaux de fractures naturelles sur la circulation des fluides.

Ladevèze, Pierre (2017). Aquifères superficiels et gaz de shale: le rôle des failles et des réseaux de fractures naturelles sur la circulation des fluides. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 245 p.

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Résumé

Le développement des ressources non conventionnelles soulève d’importantes préoccupations environnementales, notamment la contamination des ressources en eau potable. Cette thèse porte sur le rôle des failles et fractures sur le potentiel de migration ascendante de fluides d’un réservoir de gaz jusqu’à l’aquifère rocheux fracturé utilisé pour l’approvisionnement en eau. Il y a généralement un manque de données dans la zone intermédiaire (ZI), située sous les aquifères et au-dessus des réservoirs d’hydrocarbures. Ceci rend difficile l’évaluation de la circulation des fluides au travers de la ZI. L’approche qui a été développée repose sur des données de terrain acquises au niveau d’un aquifère rocheux fracturé et d’un réservoir profond de gaz. La zone d’étude est localisée dans la Plate-forme du Saint-Laurent (Québec), où le Shale d’Utica a été ciblé pour des travaux d’exploration de 2006 à 2010, jusqu’à ce qu’un moratoire de facto soit mis en place. Dans cette région, la succession sédimentaire est notamment composée de shale. Il a été montré que l’historique géologique, ainsi que les similarités entre les données de fractures situées près de la surface et dans le réservoir profond, permettent d’appliquer les résultats de caractérisation du réseau de fractures développé à partir des jeux de données des deux intervalles à la ZI. Un modèle conceptuel du réseau de fractures a été proposé. Deux intervalles hydrogéologiques ont également été définis pour cette séquence sédimentaire. Le premier est situé dans l’aquifère rocheux superficiel, entre 0 et 60 m dans le roc, là où les fractures ouvertes sont concentrées et bien interconnectées. L’autre intervalle est situé dessous (> 60 m dans le roc), où beaucoup moins de fractures sont ouvertes et principalement orientées dans la direction de la contrainte in situ maximale horizontale. Les fractures y sont faiblement interconnectées. L’utilisation de la fonction de réponse barométrique (FRB), initialement employée pour évaluer les conditions de confinement de l’aquifère, a permis d’améliorer le modèle conceptuel du réseau de fractures en facilitant l’identification d’horizons non fracturés intercalés entre des couches aquifères, qui les confinent. Pour le secteur étudié et en se basant sur les données disponibles, il a été conclu qu’il est peu probable que le réseau de fractures naturelles et que les zones de failles constituent des chemins de migration préférentielle entre le Shale d’Utica et l’aquifère fracturé superficiel. Les zones de failles ont un comportement hydraulique conceptuellement décrit comme une combinaison de barrières et drains pour les écoulements. Le coeur des zones de failles semble être scellé par de la gouge, mais une circulation limitée pourrait éventuellement être possible dans la zone de dommages de ces failles. De façon plus générale, il a été mis en évidence qu’en l’absence de données dans la ZI, cette dernière peut, dans certaines conditions, être caractérisée en utilisant des données de terrain acquises en surface et en profondeur dans le réservoir. La méthodologie développée dans cette étude pourrait ainsi être appliquée à d’autres bassins sédimentaires pour étudier des problématiques similaires ou en lien avec d’autres activités industrielles profondes telles que la séquestration géologique du CO₂ ou la géothermie.

The development of unconventional resources has raised strong environmental concerns, including the contamination of fresh water resources. This thesis investigated the role of faults and fractures on the potential of upward fluid migration from a gas reservoir to a fractured rock aquifer used for water supply. The common lack of data in the intermediate zone (IZ), located below aquifers and above the hydrocarbon reservoir, makes the assessment of fluid circulation through this IZ challenging. The approach that was developed relied on field data acquired both in the shallow rock aquifer and the deep gas reservoir. The study area is located in the St. Lawrence Platform (Quebec), where shale gas exploration targeting the Utica Shale was conducted between 2006 and 2010, until a de facto moratorium on hydraulic fracturing came into force. In this region, the entire sedimentary succession is mostly composed of shale. Results showed that the regional geologic history and similarities between the shallow and deep fracture datasets allow the application of the fracture network characterization developed based on these datasets to the IZ. A conceptual model of the natural fracture network was proposed. Two hydrogeological intervals were also defined for this sedimentary succession. The first is located in the shallow aquifer, between 0 and 60 m within bedrock, where open fractures are concentrated and well-interconnected. The other is located below (> 60 m into bedrock), where fewer fractures are open and these are predominantly oriented in the direction of the contemporary maximum horizontal stress, which result in a poorly connected network. The use of the Barometric Response Function (BRF), primarily intended for the assessment of the confining conditions in several observation wells, helped to further improve the conceptual model of the fracture network by identifying common confining unfractured horizons within the rock aquifer. For this specific study area and based on available data, it was concluded that the natural fracture network and fault zones are unlikely to constitute preferential flow pathways between the Utica Shale and the shallow fractured aquifer. Fault zones were conceptually described as conduitbarriers for fluid circulation. Their core appears to be sealed with gouge, but some limited circulation could eventually take place in the fault damage zone. Although the results and conclusions proposed in this thesis are strictly valid only for a portion of the St. Lawrence Platform, they stressed the fact that in the absence of data in the IZ, the latter may be, in certain conditions, indirectly characterized using field datasets collected in the shallow rock aquifer and at depth in the reservoir. The methodology developed for this study could be applied to other sedimentary basins to address similar issues or used in other contexts related to deep industrial activities, such as geological sequestration of CO₂ and geothermal energy.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Rivard, Christine
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Lefebvre, Renéet Séjourné, Stephan
Mots-clés libres:	Aquifères superficiels; gaz de shale; réseaux de fractures naturelles; migration de fluides; shale d’Utica; approvisionnement en eau
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	03 juill. 2018 13:22
Dernière modification:	09 nov. 2021 20:46
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/6954

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