GIEC report, 2005 )
II. Etat des connaissances
II.5. Etudes concernant la réactivité des roches face à
l’injection de CO
2L’implication des gaz injectés sur les roches du réservoir est l’étape finale de l’analyse de l’évolution géochimique d’un site de stockage.
L’influence du CO2 sur des systèmes géologiques a déjà été étudiée antérieurement. Certaines équipes de recherche ont analysé les analogues naturels : Baines et Worden, 2004 ont défini les principaux mécanismes réactionnels induits par l’injection du CO2 dans des roches silicoclastiques par l’étude de différents réservoirs naturels à travers les Etats-Unis. Moore et al., 2005 ont analysé l’état d’équilibre des minéraux au sein du réservoir naturel Springerville–St. Johns dans l’est de l’Arizona et l’ouest du Nouveau-Mexique et ont constaté la dissolution des ciments carbonatés et des feldspaths détritiques associées à la formation de dawsonite et kaolinite. D’autres se sont intéressés à l’évolution de sites pilotes : Korbol et Kaddour, 1995 par exemple se sont focalisé sur l’évolution du site de Sleipner, ou encore TOTAL qui a lancé le premier site pilote français dans le sud de la France près de Pau.
Les études ne se sont pas limitées aux sites grandeur nature. Plusieurs analyses se sont focalisées sur la réactivité d’échantillons solides en laboratoire. Ainsi, Giammar et al., 2005, Golubev et al., 2005 ont regardé la réactivité des minéraux des roches volcaniques basiques et ont montré que la dissolution de ces minéraux est activée par la baisse de pH induite par la dissolution du CO2 dans la phase aqueuse, principale action de ce gaz. Shiraki et Dunn, 2000, Kaszuba et al., 2003, Carrol et Knauss, 2005, Rosenbauer et al., 2005 ont démontré que les feldspaths sont les minéraux les plus fragiles face au CO2 dans les grès se destabilisant en kaolinite, malgré une cinétique lente (de l’ordre de 10-12 ou 10-13 mol.cm-2.s-1). Kaszuba et al., 2005 sont allés plus loin que la simple réactivité des feldspaths, en montrant que les minéraux les plus réactifs après les feldspaths sont les minéraux argileux Fe-Mg, débouchant sur la précipitation d’analcime, magnésite, sidérite et smectites. La plupart de ces études montrent que ces réactions permettent la minéralisation d’une partie du CO2 mais ont tendance à boucher la porosité de la roche. Les roches carbonatées ont de même été étudiées expérimentalement en conditions de stockage géologique de CO2. Pokrovsky et Schott, 2001, Pokrovsky et al., 2005 ont montré que la cinétique de dissolution de la dolomite, calcite et sidérite sont activées en conditions acides (pH inférieur à 5) et que leur cinétique est inversement proportionnelle à la valeur du pH. En outre, la cinétique de dissolution de la dolomite est plus lente que celle de la calcite : de 10-3 à 10-5 mol.cm-2.s-1 pour calcite et 10-8
mol.cm-2.s-1 pour dolomite. Sterpenich et al., 2009 ont analysé la réactivité d’une roche calcitique naturelle provenant de l’Est du bassin parisien. Ils ont montré que celle-ci une dissolution très limitée (moins de 1 mole %) due au fait que la calcite s’équilibre en fonction du pH mais aussi de la fugacité de CO2. Bertier et al., 2006 ont regardé la réactivité d’un grès carbonaté en provenance d’un aquifère du NE de la Belgique, intégrant minéraux silicatés et carbonatés au sein d’un même roche. Ils ont observé la dissolution partielle des carbonates et des silicates alumineux accompagnés d’une précipitation d’autres types de carbonates (sidérite, magnésite), et la précipitation d’argiles riches en K (type illites/ smectites). Enfin, les roches ne sont pas les seuls systèmes solides présents dans le réservoir. Onan, 1984 et Shen, 1989se sont focalisés sur la réactivité expérimentale des ciments de puits face au CO2, montrant une forte carbonatation des phases calciques initialement présentes.
Ces études expérimentales sont accompagnées de simulations numériques reprenant les principaux résultats expérimentaux et des analogues naturels et modélisant l’évolution de sites de stockages sur plusieurs milliers d’années (Gunter et al., 2000; Xu et al, 2004-2005-2006; Gaus et al., 2005, Knauss et al., 2005; Lagneau et al., 2005; Zerai et al., 2006).
Toutes ces études prennent en compte le CO2 pur comme gaz injecté. Toutefois, une séparation complète de ce gaz des fumées de sortie d’usine ne seraient pas énergétiquement et économiquement viable. Certains autres gaz tels que N2, Ar, O2 et H2S ou encore les SOx et NOx (dans le cas ou les processus de désulfuration et de dénitrogénation seraient évités afin de limiter la consommation de l'énergie - IEA GHG report, 2005) pourraient être injectés dans des proportions représentant une fraction de 5 à 10 mol% du gaz (IEA GHG report, 2005). Les études consacrées à l'effet de ces gaz en profondeur, essentielles pour la pérennité d’un stockage, sont encore peu nombreuses. Elles concernent essentiellement le SO2 et H2S : 1) L’étude de la réduction du SO2 par des calcaires à haute température en chaudières dans le cadre du captage du soufre dans les fumées en sortie d’usines et centrales (Lyngfelt et Leckner, 1989; Hansen, 1991; Mattisson et Lyngfelt, 1998), 2) l’étude du comportement de l'hématite en milieu aqueux à 150°C et 300 bar en présence d’un mélange CO2-SO2, montrant une réduction du minéral par l’oxydation complète du SO2 en sulfates (Palandri et al., 2005 ; Palandri et Kharaka, 2005), 3) l’analyse numérique géochimique de l’action du CO2 associé au SO2 et H2S sur une formation de grès montrant la dissolution des feldspaths et micas, conduisant à la l’apparition d’anhydrite et de soufre natif (Xu et al., 2007), 4) l’étude du comportement des matériaux du puits soumis à la co-injection d’ H2S et CO2 dans des conditions de réservoir présentant une dissolution des phases silicatées et ferrifère induisant l’apparition de sulfures et de carbonates (Jacquemet et al., 2005).
Il est donc essentiel de collecter des données sur la réactivité de ces gaz au travers d’études expérimentales en laboratoire. Ces données devront tout d’abord se porter sur la réactivité en phase gaz, afin de définir les espèces stables dans le gaz en conditions de stockage, puis sur la réactivité des systèmes eau-gaz pour répertorier les espèces aqueuses. Enfin, la réactivité des roches pourra être étudiée expérimentalement dans les meilleures conditions. Comme pour le CO2, ces études expérimentales devront être accompagnées de simulations numériques afin de pouvoir prédire l’évolution des stockages géologiques sur plusieurs centaines voire milliers d’années.