Une équipe de recherche franco-américaine passe au crible la structure du kérogène - Une étude qui amène à repenser les techniques d’exploitations des gaz de schiste

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Des chercheurs de l’Unité mixte internationale (UMI) du CNRS au Massachussetts Institute of Technology (MIT) « Multi-Scale Materials Science for Energy and Environment » et de l’Institut de sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute-Alsace) viennent de faire une découverte qui peut potentiellement changer la donne en matière d’exploitation des gaz de schiste.

Le kérogène est une substance, issue de la décomposition de matières organiques, qui permet la formation de pétrole et de gaz par sa dégradation. Lorsqu’il apparaît au sein d’ensembles très hétérogènes comme les roches de schiste, les conditions de température, de pression et de maturation y sont alors très mal connues, ce qui limite pour l’instant l’exploitation des gaz qu’ils contiennent à la technique d’extraction dite de fracturation hydraulique, méthode qui inquiète par ses dommages écologiques.

Les chercheurs de l’UMI ont réussi à combiner expériences et simulations, pour obtenir des modèles moléculaires des kérogènes. Il s’avère que la porosité du kérogène est constituée de pores encore plus petits qu’on ne le pensait.

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Modèle moléculaire d’un échantillon de kérogène Marcellus étudié (la phase organique constitue la source d’hydrocarbures dans les gaz de schiste). Les atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène sont représentés en gris, blanc et rouge, respectivement. L’image correspond à un échantillon de 5 × 5 nm. Quatre échantillons de maturités différentes, c’est-à-dire avec des temps et des conditions de formation différents, ont été considérés dans l’étude. (crédits : Colin Bousige, Camelia Ghimbeu, Cathie Vix-Guterl, Andrew E. Pomerantz, Assiya Suleimenova, Gavin Vaughan, Gaston Garbarino, Mikhail Feygenson, Christoph Wildgruber, Franz-Josef Ulm, Roland J.-M. Pellenq, Benoît Coasne. Nature materials. 1er février 2016. DOI : 10.1038/nmat4541)

En effet, il avait été supposé que les pores de ces formations souterraines profondes étaient de l’ordre du micromètre et donc permettraient au pétrole ou au gaz de circuler facilement à travers le kérogène. Or cette étude montre que les pores du kérogène sont plutôt de taille nanométrique. Cette compréhension de la structure des pores du kérogène, c’est-à-dire un système complexe de nanopores, est une véritable nouveauté puisqu’elle révèle que les molécules de gaz ou de pétrole sont en fait piégées au sein même des pores.

Ainsi les écoulements du pétrole ou des gaz – qui sont dans les pores du kérogène – ne répondent pas à la loi de Darcy, formule utilisée traditionnellement par l’industrie pétrolière pour décrire la façon dont les fluides hydrocarbures se déplacent sous terre. Ce nouveau modèle explique ainsi pourquoi dans de nombreux cas où la formule standard prédit que le pétrole ou le gaz circuleront, en réalité le flux s’arrête.

Ces travaux, publiés sur le site de la revue Nature Materials le 1er février 2016, permettront peut-être, à terme, d’exploiter différemment les gaz de schiste en repensant la fracturation hydraulique pour une extraction plus efficace et, qui plus est, plus écologique. En effet, ces nanopores sont de nature hydrophobes et « CO2-philes » ; ainsi l’utilisation de l’eau en tant que fluide d’extraction n’est surement pas la méthode la plus efficace. Un fluide à base de dioxyde de carbone serait certainement plus approprié, et permettrait d’éviter une surconsommation d’eau et surtout la nécessité de traiter l’eau contaminée par le processus de fracturation hydraulique. De plus, l’abandon de l’eau en tant que fluide d’extraction au profit du dioxyde de carbone pourrait potentiellement devenir un moyen de séquestrer du CO2.

Pour récolter des données sur la composition chimique, la texture et la densité du kérogène, les chercheurs ont étudié ses caractéristiques par le biais d’un vaste panel de techniques, y compris des instruments lourds tels qu’un synchrotron, en l’occurrence l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble, et une source de neutron (il s’agissait de l’Oak Ridge National Laboratory aux Etats-Unis).

Cette étude est un bon exemple du succès des collaborations franco-américaines dans le cadre d’une collaboration de recherche structurée. Celle-ci en particulier est soutenue par le biais d’un outil de collaboration international du CNRS.

Le CNRS propose en effet différents outils de collaborations internationales (e.g. Groupement de recherche international (GDRI), Laboratoire International Associé (LIA) ou Unité mixte International (UMI)). Ces outils sont mis en place lorsque de fortes collaborations internationales préexistences sont repérées. De plus ample renseignement sur ces outils sont disponible sur le site du CNRS.

Pour en savoir plus

Communiqué de presse du CNRS : http://www2.cnrs.fr/presse/communique/4393.htm
Communiqué de presse du MIT : http://news.mit.edu/2016/structure-kerogen-revealed-0201
Liste des UMI en Amérique du Nord : http://www.france-science.org/UMI-Umifre-du-CNRS-en-Amerique.html


Rédacteur :
- Robin Faideau, Attaché adjoint pour la Science et la Technologie, Houston, robin.faideau@ambascience-usa.org