Définition

On appelle aquifère   une formation géologique perméable qui contient de l’eau. Les aquifères les plus superficiels contiennent de l’eau douce utilisée pour l’alimentation en eau potable. Les aquifères plus profonds contiennent de l’eau salée totalement impropre à la consommation humaine. On les appelle, logiquement, aquifères salins profonds. Les aquifères abritent parfois des gisements de pétrole et de gaz quand, localement, l’eau de l’espace intergranulaire de la roche est remplacée par des hydrocarbures. Ils peuvent aussi contenir des gisements de CO₂ pur, d’origine naturelle. D’où l’idée de stocker du CO₂ dans les pores des roches pour imiter ces gisements naturels de CO₂.

 Intérêts et contraintes

Un exemple de réservoir  

Échantillon de roche gréseuse réservoir   prise au microscope électronique à balayage (grossissement ×54) : on y distingue les vides de la roche dans lesquels peuvent circuler l’eau, le pétrole ou le gaz. (© Minefi)

À la base et au sommet de ces aquifères profonds, des couches imperméables (argiles, marnes, sel) assurent une barrière d’étanchéité, en particulier vis-à-vis des réservoirs d’eau douce, peu profonds, destinés à l’alimentation en eau potable. Le terme réservoir   fait référence à l’existence d’un réseau poreux connecté pouvant contenir des fluides (eau, gaz, huile).

Au somment des couches réservoirs, les structures sédimentaires constituent des pièges qui peuvent éventuellement contenir des gisements de pétrole et de gaz naturel, là où l’eau contenue dans les pores de la roche a été remplacée par des hydrocarbures.

Il s’agit, et de loin, de la première classe en termes de volumes de stockage.

Néanmoins, ces structures sont peu connues, ce qui implique des campagnes lourdes et longues de vérification de la réalisabilité du piégeage.

 Les aquifères salins profonds en France

☞ Voir également « Les bassins sédimentaires français »

On rencontre ce type de réservoirs dans les bassins sédimentaires, dont les trois principaux bassins français : le bassin de Paris, le bassin d’Aquitaine et le bassin du Sud-Est.

Le plus intéressant est le bassin de Paris, qui s’étend sur plus de 500 km du nord au sud (de Dunkerque à la bordure nord du Massif central) et sur 600 km d’est en ouest (de Strasbourg au Massif armoricain). L’épaisseur des sédiments atteint plus de 3 000 m au cœur du bassin.

En France, plusieurs projets (dont Metstor) se sont penchés sur deux réservoirs-cibles du bassin de Paris :

• le réservoir   du Dogger   (étage géologique d’âges compris entre 175 et 161 millions d’années environ) se compose de différentes roches calcaires. Sa profondeur est d’environ 250 m sur les bordures et peut atteindre plus de 1 800 m de profondeur au cœur du bassin ;
• le réservoir   du Trias   (plus ancien, d’âges compris entre 251 et 200 millions d’années environ) est un aquifère   à plusieurs couches situé à environ 2 500 m de profondeur et d’épaisseur maximale de 350 m.

Les aquifères salins profonds du bassin de Paris présentent une configuration géologique particulièrement intéressante :

• Ils sont suffisamment profonds ; la profondeur minimale couramment recherchée pour le toit de l’aquifère   de stockage est de 800 m.
• Ils offrent le potentiel de stockage le plus important grâce, en particulier, à une grande extension géographique, à des caractéristiques spécifiques (porosité  , perméabilité   entre autres) de ce type de réservoirs, et à une profondeur supérieure pour maintenir le CO₂ en état supercritique   ;
• Ils sont situés à proximité des sources de CO₂ de l’Île-de-France et du Nord-Pas-de-Calais ;
• au-dessus du réservoir  , une couche de roches imperméables de 800 à 1 000 m d’épaisseur garantit une couverture   étanche.

 Capacités de stockage d’un aquifère  

Le projet Metstor s’est basé sur les recommandations du “Carbon Sequestration Leadership Forum” (CSLF) pour calculer les capacités de stockage des aquifères du bassin parisien.

Zone concernée

En France, le bassin de Paris est bien connu par rapport aux autres grands bassins, c’est pourquoi les calculs ont porté uniquement sur lui.

Les calculs suivants ont été effectués pour les zones du Dogger   et du Trias   à une profondeur d’au moins 800 m, hors les grandes agglomérations pour le Dogger  .

Capacités théoriques

Les capacités théoriques sont évaluées par la formule ci-après :

V_{CO2théorique} = A × h × φ ×(1-S_wirr)

Où :

• A est la surface de l’aquifère   (ou de la zone étudiée)
• h est la hauteur de l’aquifère  . Le calcul peut être affiné en prenant en compte uniquement la hauteur efficace, c’est-à-dire la hauteur cumulée des niveaux perméables accessibles au CO₂.
• φ est la porosité   de la roche (prise entre 0 et 12 % pour le Dogger  , entre 0 et 18 % pour le Trias  )
• S_wirr est la saturation en eau irréductible, c’est-à-dire la part de l’eau de la formation qui ne pourra être chassée par le CO₂ (supposée à 20 % pour le Dogger  , 30 % pour le Trias  ).

Capacités efficaces

Les capacités efficaces se déduisent des précédentes par l’approximation ci-après :

V_CO2efficace = C_C × V_{CO2théorique}

Le coefficient de capacité C_C est un facteur d’échelle déterminé par différentes méthodes, dont des avis d’experts et des comparaisons avec les données d’exploitation pétrolière du Bassin de Paris.

Le projet Metstor a estimé un coefficient de capacité à 3 %. En d’autres termes, la capacité efficace représenterait 3 % de la capacité théorique.

 Aquifère   ouvert, aquifère   fermé, aquifère   infini

La nature ouverte ou fermée des aquifères va influer grandement sur leurs capacités de stockage de gaz.

On parle d’aquifère   ouvert quand l’eau de cet aquifère   peut circuler librement vers ses affleurements, situés à la surface du sol, et quitter l’aquifère  . Dans ce cas, la surpression de l’eau, engendrée par une injection de CO₂, sera absorbée par le déplacement de l’eau vers les affleurements et son départ de l’aquifère  , ces affleurements pouvant se situer à plusieurs centaines de kilomètres du point d’injection.

Un aquifère   est dit fermé lorsqu’il est totalement isolé de la surface par des couches géologiques imperméables. L’eau contenue dans sa porosité   se trouve ainsi « piégée » et ne peut pas quitter l’aquifère  . La surpression, engendrée par l’injection de CO₂, ne peut pas être compensée par un déplacement de l’eau vers l’extérieur. L’eau est alors comprimée par l’injection de gaz. À cause du très faible coefficient de compressibilité de l’eau, on peut estimer une division des capacités disponibles par un facteur de l’ordre de 1 000. Une solution consisterait à rejeter un volume d’eau équivalent au volume de CO₂ stocké. Cette solution peut engendrer des difficultés lorsque l’eau de l’aquifère   est excessivement salée ou chargée naturellement en éléments polluants.

Enfin, on parle d’aquifère   infini lorsque le volume de CO₂ stocké est très faible devant le volume total de l’aquifère  . Dans ce cas, même dans l’hypothèse d’un aquifère   fermé, la surpression engendrée par l’injection de gaz reste très faible.

Dans la pratique, on trouve une gamme continue d’aquifères plus ou moins ouverts. Dans le cas général, les premiers stockages géologiques dans un aquifère   vont rencontrer des situations où l’injectivité   se rapproche de celle d’un aquifère   ouvert idéal, et à la longue, après saturation du réservoir   souterrain, les stockages suivants pourront rencontrer des injectivités de plus en plus dégradées.

Cette propriété des aquifères explique que Metstor indique une fourchette de capacités de stockage, entre la valeur haute d’un aquifère   ouvert (idéal) et la valeur basse d’un aquifère   fermé (idéal).