Proposition de travaux hydrogéologiques dans le cadre du plan de réalisation de l'étude environnementale stratégique sur les gaz de schiste – volet études spécifiques à l'eau souterraine

 

Marie Larocque

Université du Québec à Montréal

 

Domaine : ressources naturelles

Programme projet de recherche initiatives stratégiques pour l'innovation

Concours 2013-2014

Partenaire

Ministère du Développement durable, de l'Environnement, de la Faune et des Parcs

Le Groupe de recherche interuniversitaire sur les eaux souterraines (GRIES), regroupant des laboratoires de l'Université du Québec à Montréal (UQAM), de l'Université de Laval, de l'Université Concordia et de l'INRS-ETE, a reçu le mandat en juin 2012 par le comité de l'évaluation environnementale stratégique (CÉES) sur le gaz de schiste d'évaluer la présence à l'état naturel de certains gaz dissous (méthane, éthane, propane, hélium et radon) dans les eaux souterraines des Basses-Terres du Saint-Laurent, d'évaluer leur signatures isotopiques et d'en estimer la provenance (étude E3-9).

Cette étude visait à fournir des informations objectives pouvant être utilisées par le CÉES et les décideurs afin d'établir, au besoin, des méthodes de mitigation appropriées dans le cadre d'un développement possible du gaz de shales dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Le projet était divisé en deux volets, le premier portant la mesure géochimique des gaz dissous et le second portant sur la modélisation des possibles fuites de ces gaz le long des forages de fracturation.

Les objectifs spécifiques du premier volet étaient: 1) d'établir la présence et la distribution spatiale des hydrocarbures légers et de certains autres gaz naturels associés (radon, hélium) dans les eaux souterraines de la zone d'étude; et 2) d'identifier par analyse isotopique, la source des hydrocarbures détectés dans les eaux souterraines de la zone d'étude. Pour cette étude, 130 puits résidentiels, d'observation ou municipaux ont été  échantillonnés dans une région couvrant 14 000 km2 entre Montréal et Leclercville, et le piedmont des Appalaches et Trois-Rivières.

Sur ces 130 puits échantillonnés, 18 ont des concentrations de méthane supérieures à 7 mg/L (13,8%), seuil d'alerte dans l'eau souterraine propose dans le projet de règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection, publie le 29 mai 2013 dans la Gazette officielle du Québec. Dans la majorité des puits contenant des concentrations élevées (>7 mg/L), le méthane a une origine bactériogénique, i.e. qu'il est produit par des bactéries dans les sédiments superficiels. Néanmoins, six puits présentent un mélange entre du gaz bactériogénique et thermogénique (i.e. qu'il est produit par le craquage du kérogène en profondeur), et un seul puits montre une signature clairement thermogénique, près de Plessisville. La distribution géographique du méthane montre que les concentrations les plus élevées se retrouvent dans les eaux souterraines circulant dans les formations géologiques sédimentaires d'âge ordovicien des Basses-Terres du Saint-Laurent. Le méthane est pratiquement absent dans les eaux circulant dans la région correspondant au piedmont des Appalaches. Les concentrations les plus élevées de méthane dissous ont également été observées dans les puits fores dans le Groupe de Lorraine (formation géologique sus-jacente aux shales d'Utica et potentiellement une shale gazifières comme l'Utica). L'origine dominante du méthane dissous dans les aquifères traversant le Groupe de Lorraine est majoritairement bactériogénique.

Aucune concentration en radon dissous n'a excédé les 2 000 Bq/L, seuil recommande par Sante Canada (2009). Toutefois, dans six puits les concentrations dépassent le seuil de 100 Bq/L recommande par l'Organisation Mondial de la Sante (OMS, 2009). La distribution spatiale du radon semble indiquer un contrôle lithologique, avec des concentrations élevées dans le piedmont des Appalaches et le Mont Saint-Hilaire. Pour ce qui concerne l'hélium, un groupe de 33 puits montre des concentrations dépassant les 10-7 cmSTP/g H2O avec des anomalies en hélium d'origine radiogénique (4He produit par l'uranium naturel dans les roches) comprises entre 1,49 x 10-6 cmSTP/g H2O et 1,09 x 10-4 cm3STP/g H2O. Il semble que la majorité des puits contenant des concentrations élevées en 4He radiogénique dans les Basses-Terres sont issues de la formation géologique du Groupe de Lorraine, à l'exception de deux puits dans la formation géologique du Queenston. L'hélium et le méthane dissous montrent une certaine relation avec la distance aux failles majeures de la région. L'origine de cette relation entre les failles et la présence naturelle des gaz dans les eaux souterraines de la région nécessite d'être explorée davantage dans des travaux futurs.

L'objectif du deuxième volet était de déterminer si la fracturation hydraulique pour l'exploitation des gaz de schiste pourrait causer la contamination des aquifères superficiels en raison de fuites de méthane, fluides de formation et/ou fluides de formation le long du coffrage de puits actifs et/ou abandonnés et le long de failles naturelles et/ou induites.

Des simulations paramétriques ont été réalisées à l'aide d'un modèle numérique afin de simuler les fuites de gaz et de fluides de formation le long du coffrage d'un puits de gaz de schiste abandonné et le long d'une faille naturelle. Dans les deux scénarios considérés, une séquence verticale de 1000 m est représentée et composée, de la base au sommet, de 200 m de Shale d'Utica, 750 m de roches du Groupe de Lorraine, et de 50 m d'un aquifère superficiel de dépôts meubles. Dans le premier scénario, l'espace annulaire composé de ciment entre le coffrage d'un puits abandonné et la formation rocheuse est considéré selon différent degrés de qualité, allant d'une cimentation adéquate à inadéquate. Les résultats suggèrent qu'un puits cimenté de façon adéquate pourrait ne pas causer la fuite du méthane sur une échelle de temps allant jusqu'à 100 ans. Cependant, un forage mal cimenté pourrait occasionner des fuites de méthane allant de 0,08 à plus de 100 m³/j selon la façon dont le Shale d'Utica a été fracturé dans la phase de développement et la quantité de gaz mobile dans la formation après abandon. Ces résultats sont compatibles avec les valeurs de fuites de méthane mesurées à l'évent pour des puits conventionnels publiés dans la littérature. Pour le second scénario, les résultats préliminaires laissent supposer que la fracturation hydraulique ne pourrait pas causer une migration significative de fluides de formation et de méthane dans une faille naturelle vers les aquifères superficiels dans un horizon de 1000 ans.

Les résultats obtenus sont cruciaux pour comprendre l'état pré-exploitation des ressources en eau  souterraine du Québec méridional. Les données recueillies, non disponibles dans d'autres pays ou les gaz de shales sont déjà exploites, seront très utiles pour appuyer la gestion de l'eau souterraine et pour baliser les décisions gouvernementales en lien avec l'exploitation des ressources gazières.

Membres de l'équipe 

  • Marie Larocque
  • Yves Gélinas
  • Jean-François Hélie
  • René Lefebvre
  • Michel Lemieux
  • Daniele Pinti
  • René Thérien