Un géologue de l’Université de Calgary a montré comment utiliser des faisceaux de neutrons pour déterminer la manière dont les pores des dépôts de schiste stockent le pétrole et le gaz. Ces connaissances pourraient être utilisées pour sélectionner la meilleure méthode d’extraction afin de maximiser la production de pétrole et de gaz naturel, ainsi que pour réduire les émissions tout en aidant les chercheurs à mieux comprendre comment l’excès de dioxyde de carbone peut être stocké dans le schiste.
La plupart de ces nouvelles recherches sont menées par le professeur Chris Clarkson, un géologue dont les travaux sont parrainés par Shell, Encana et la société Alberta Innovates Technology Futures. M. Clarkson aime emprunter des idées à d’autres domaines et les appliquer à l’industrie pétrolière et gazière de manière non conventionnelle, tout en aidant ses collègues scientifiques à faire de même.
Par exemple, sa démonstration de l’utilisation de faisceaux de neutrons pour étudier les gisements de schiste a attiré l’attention des scientifiques du monde entier. Depuis sa publication sur le sujet dans l’édition de janvier 2013 de la revue scientifique Fuel (DOI:10.1016/j.fuel.2012.06.119), qui rend compte de diverses innovations liées aux carburants, la recherche de M. Clarkson a été citée plus souvent en cinq ans que tout autre article publié dans cette revue au cours des 20 dernières années. Ce n’est pas un mince exploit, étant donné que Fuel se classe dans le quatre-vingt-quinzième percentile de toutes les revues dans son domaine [1].
« En fait, cette ligne de recherche aiderait les entreprises à prendre de meilleures décisions sur la manière de réduire l’impact de leurs activités sur l’environnement. »
L’intérêt de la recherche de M. Clarkson n’est pas surprenant, puisqu’elle vise à résoudre certains mystères concernant le schiste qui laissent l’industrie perplexe depuis des décennies. Par exemple, une grande partie du pétrole et du gaz des gisements de schiste est « enfermée » dans la roche, mais il n’est pas toujours facile de déterminer quels mécanismes « d’enfermement » sont présents dans un gisement donné. Les ingénieurs doivent connaître des détails précis sur la manière dont les ressources sont confinées à l’intérieur d’un gisement afin de décider quelle est la méthode d’extraction la plus appropriée dans l’optique de libérer la plus grande quantité de pétrole et de gaz.
Les travaux de M. Clarkson sont également importants pour la mise au point d’une technique permettant de mesurer la quantité de pétrole ou de gaz réellement extractible à partir d’un gisement de schiste, ce qui contribuerait à réduire les importants risques financiers inhérents aux projets d’extraction. Cette ligne de recherche permettrait également de savoir quelle quantité de gaz carbonique peut être stockée dans les gisements de schiste, ce qui aiderait les entreprises à prendre de meilleures décisions en vue de réduire l’impact de leurs activités sur l’environnement.
Les dépôts de schiste sont particulièrement complexes à étudier car ils sont souvent remplis de pores interconnectés, comme une éponge. Ces pores, qui stockent naturellement le pétrole et le gaz, peuvent être incroyablement petits : de l’ordre des micromètres, voire des nanomètres. Certains pores sont si minuscules qu’ils ne sont pas plus gros que les molécules de pétrole et de gaz qu’elles contiennent.
Pourtant, la capacité de ces pores nanoscopiques à stocker du gaz, qu’il s’agisse de gaz naturel à extraire ou de dioxyde de carbone à séquestrer sous terre, ne doit pas être sous-estimée. Le stockage du gaz dans ces minuscules trous se fait principalement par adsorption, ce qui signifie que le gaz adhère aux surfaces de la roche. Par conséquent, les schistes ayant une plus grande surface stockeront plus de gaz.
Pour deux échantillons de schiste de même taille et de même porosité (c'est-à-dire dont les pores occupent la même fraction du volume du schiste), l'échantillon comportant de nombreux petits trous aura une surface totale plus importante que l'échantillon comportant quelques trous plus grands. Si cela vous surprend, considérez ceci : bien qu'un ballon de basket ait le même volume que deux ballons de volley, la surface totale des deux ballons de volley sera plus grande que la surface du ballon de basket.
Ceci est important pour l'extraction de carburant ou la séquestration du carbone, car chaque dépôt de schiste stocke une quantité différente de carburant en fonction de son profil de porosité unique. Par exemple, « un schiste présentant une porosité de 10 % avec des trous micrométriques peut avoir une surface accessible d'environ un mètre carré par gramme », explique M. Clarkson. « Mais si les trous sont de la taille d'un nanomètre dans un schiste de même porosité, la surface pourrait être des centaines de fois plus grande ».
En outre, le gaz adsorbé dans ces minuscules trous aura une densité élevée - proche de celle d'un liquide, en fait - de sorte que la capacité de stockage du schiste sera encore accrue.
Les méthodes conventionnelles d'examen des pores dans les dépôts de schiste avant l'extraction présentent des limites assez importantes. Par exemple, « Certains ne peuvent détecter que les pores d'un diamètre supérieur à trois ou quatre nanomètres, ce qui signifie que nous passons souvent à côté d'une grande partie de la surface », note M. Clarkson.
Clarkson s'est donc tourné vers les neutrons pour trouver un moyen plus fiable de caractériser les pores dans les dépôts de schiste. « En utilisant des faisceaux de neutrons, nous pouvons détecter des pores plus petits qu'un nanomètre et nous assurer que nous incluons toute la gamme des pores dans notre détermination de la surface », explique-t-il.
Outre la possibilité de sonder des échantillons de schiste pour déterminer la taille et la distribution des pores, les faisceaux de neutrons peuvent également fournir des informations sur la forme géométrique des pores (c'est-à-dire les formations ouvertes ou fermées). Alors que de nombreuses méthodes conventionnelles ne peuvent détecter que les pores ouverts, les neutrons peuvent détecter à la fois les pores ouverts et les pores fermés, ce qui permet d'obtenir des informations plus précises sur la surface en général.
« L'utilisation de faisceaux de neutrons présente une autre caractéristique intéressante : pendant nos mesures, nous pouvons maintenir le schiste sous les mêmes pressions élevées de méthane et aux mêmes températures élevées que celles qu'il subirait sous terre », explique M. Clarkson. « Nous savons ainsi que nos résultats sont réalistes. »
À ce jour, Clarkson a publié trois articles de recherche qui démontrent la capacité des faisceaux de neutrons à évaluer de manière précise et non destructive la porosité des dépôts de schiste. Ses collaborateurs pour ces études comprennent des chercheurs de l'Université de Colombie-Britannique, de l'Indiana Geological Survey et de l'Oak Ridge National Laboratory (qui a également fourni les faisceaux de neutrons).
« Au fil du temps, j'ai convaincu mes collègues de l'industrie que cette recherche présentait une grande valeur à long terme »
Notamment, les résultats de ces études ont tous montré une bonne concordance avec les données obtenues par les méthodes d'examen conventionnelles. Par exemple, les expériences de faisceau de neutrons de Clarkson ont détecté les mêmes pores plus larges que les méthodes conventionnelles, tout en fournissant des détails précédemment ignorés sur les pores nanoscopiques. Ce chevauchement positif est d'une importance cruciale, car il donne une grande confiance dans l'exactitude des résultats. L'équipe de Clarkson a également pu faire d'autres observations sur les pores qui affectent la surface totale accessible d'un dépôt - des détails qui n'ont pas été pris en compte par les méthodes conventionnelles.
Il reste encore du travail à faire avant que les données neutroniques de Clarkson puissent être utilisées par l'industrie pour prendre des décisions concernant le stockage du dioxyde de carbone ou l'extraction des ressources. Par exemple, des études supplémentaires sont nécessaires pour rassembler suffisamment de données scientifiques afin d'établir des corrélations entre les caractéristiques des pores et la production totale de gaz ou la capacité de stockage. D'autres facteurs, tels que le contenu organique et minéral du schiste, doivent également être pris en compte. Quoi qu'il en soit, M. Clarkson est passionné par les perspectives d'avenir de l'utilisation des faisceaux de neutrons pour évaluer le potentiel des gisements de schiste.
« Au fil du temps, j'ai convaincu mes collègues de l'industrie que cette recherche avait une grande valeur à long terme », explique M. Clarkson. En effet, des chercheurs du monde entier ont déjà commencé à adopter sa technique, en utilisant des faisceaux de neutrons pour examiner les gisements de schiste en Amérique du Nord et en Chine afin d'obtenir des informations sur l'extraction du pétrole et du gaz et sur la séquestration du dioxyde de carbone.
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
[1] Tel que mesuré par le CiteScore 2016 de Scopus.
