Objectifs

La surveillance est un outil essentiel pour assurer la sécurité d’un stockage. Selon l’article R. 229-67 du Code de l’Environnement (reprenant l’article 13 de la Directive 2009/31/CE), elle concerne le complexe de stockage (y compris, lorsque cela est possible, le panache de CO2) et, s’il y a lieu, le milieu environnant et a pour objectifs de :

- comparer le comportement réel du CO2, de l’eau de formation et de la roche dans le site de stockage à la modélisation de ce comportement ;

- détecter les irrégularités notables ; - détecter la migration de CO₂ ; - détecter les fuites de CO₂ ;

- détecter des effets délétères manifestes sur le milieu environnant, en particulier sur l’eau potable, sur les populations humaines ou sur les utilisateurs de la biosphère environnante ;

- évaluer l’efficacité des mesures correctives éventuellement prises ;

- réviser le cas échéant les mesures préventives et correctives pour en améliorer l’efficacité ;

- mettre à jour l’évaluation de la sécurité et de l’intégrité du complexe de stockage à court et à long terme, y compris en déterminant si le CO2 stocké restera confiné parfaitement et en permanence.

À cela s’ajoute la surveillance d’effets indirects, telle que :

- suivre si nécessaire l'ampleur des perturbations de pression sur une étendue qui peut largement dépasser le complexe ;

- détecter d'éventuels déplacements de saumures consécutifs à la constitution du stockage ;

- mesurer l'amplitude de la déformation des terrains, notamment en surface.

L’exploitant est tenu d’établir un plan de surveillance en fonction de l’analyse et de l’évaluation des risques, conformément aux exigences énoncées à l’annexe II de la Directive 2009/31/CE. Bien que sommaire, cette annexe II définit les grandes lignes de ce plan. Il est important de faire ressortir les divers moyens mis en œuvre et comment la surveillance s'adaptera aux différentes étapes du stockage et à des situations variées, à savoir :

(1) la surveillance en évolution normale ;

(2) la surveillance renforcée ou particulière en cas d’anomalie révélant une situation d’évolution altérée ;

(3) la surveillance spécifique aux mesures qui seront prises pour remédier à cette anomalie.

Indépendamment des aspects sécurité et maîtrise des risques, l’exploitant devra comptabiliser les quantités de CO₂ stockées par des mesures de débit en tête des puits d’injection. En cas de fuite avérée, il devra évaluer les quantités de CO₂ qui retourneront dans l’atmosphère ou la mer, par des mesures de flux essentiellement au niveau du sol ou dans l’atmosphère ou sur les fonds marins. Pour cela, la technologie des chambres d’accumulation existe (encore à l’état de prototype dans le cas off-shore), les principales difficultés résidant dans la définition du début de la fuite, la délimitation de la zone de fuite et une densité suffisante de mesures de façon à obtenir une estimation réaliste du volume émis.

Avant d’aborder les différentes méthodes disponibles, nous analysons brièvement les problématiques posées par chacun des principaux objectifs de la surveillance.

Comportement dans le réservoir

L’évaluation du comportement du CO2 dans le réservoir est nécessaire pour vérifier que le CO2 entre et circule correctement dans la roche hôte et que les capacités de stockage correspondent aux prédictions. Ceci permet de remplir les deux objectifs du stockage (voir Section 2.2) : stocker la quantité visée de CO₂ dans la durée d’opération

anticipée et en toute sécurité. Des capteurs de température et de pression en fond et en tête de puits, couplés à l’utilisation du modèle de réservoir, permettent de s’assurer de cela dans un premier temps. Les méthodes géophysiques sont ensuite nécessaires pour cartographier l’extension du panache de CO2. Du fait de la profondeur, les informations apportées par les méthodes de surveillance indirectes sont pour le moment majoritairement qualitatives, en dehors de la sismique 3D. La comparaison des observations, directes ou indirectes, avec les résultats des simulations numériques du comportement thermo-hydro-mécanique et chimique du réservoir, permettent d’évaluer la validité du modèle géologique (statique) et des modèles prédictifs, et de les améliorer. Cette comparaison et mise à jour des modèles est particulièrement cruciale lors de la fermeture du site puis du transfert de responsabilité à l’État.

Intégrité des puits et comportement mécanique du complexe de stockage Les puits, qui assurent la connexion entre la surface et le réservoir, ainsi que les couches comprises entre le réservoir et la surface, doivent conserver leurs propriétés d’étanchéité vis-à-vis du CO₂ stocké dans le réservoir. Toute modification, qu’elle soit d’ordre géochimique (corrosion des aciers ou transformation des ciments au niveau des puits), mécanique (fracturation créée par une surpression ou un séisme naturel externe) ou une combinaison des deux, qui pourrait créer une voie de remontée pour le CO₂, doit être détectée, dans la mesure du possible suffisamment tôt pour que des mesures de remédiation soient applicables. Autant un comportement anormal d’un puits est facilement détectable, autant la fracturation induite dans le complexe de stockage l’est difficilement, tant qu’une migration importante de CO2 ou du fluide en place (cf. ci-dessous) n’a pas été détectée. A l’inverse, l’injection dans le réservoir peut provoquer des déformations notables en surface comme dans le cas particulier d’In Salah en Algérie (surrection de l’ordre de 5 mm/an, jusqu’à 2 cm cumulés entre 2003 et 2008, Rutqvist et al., 2010). Ces cartes de déformation constituent une aide pour cartographier l’extension du CO2, sans que pour autant cela ne révèle nécessairement des fuites en dehors du réservoir.

Détection de fuites hors du complexe de stockage

La surveillance des fuites de CO₂ hors du complexe de stockage constitue la base de la mise en évidence de l’apparition d’une évolution altérée du stockage. Elle est un élément crucial pour l’exploitant dans sa démonstration de maîtrise des risques. La détection de la fuite doit avoir lieu le plus tôt possible de façon à déclencher rapidement la mise en œuvre des mesures de maîtrise des risques adaptées.

En dehors de la détection en surface des fuites de CO₂ provenant des puits, ce type de surveillance pose différents problèmes concernant le seuil de détection et le type de méthode à appliquer, généralement dépendants du site. Une première méthode pour détecter une fuite est l’observation du champ de pression dans les puits d’injection et tous les puits d’observation disponibles. Abordée pour le moment de façon théorique, la mesure d’une variation de pression pourrait permettre de remonter au volume de la fuite (e.g. Javandel et al., 1988 ; Zeidouni et Pooladi-Darvish, 2010). Concernant les méthodes de détection indirecte comme la géophysique, leur performance dépend des

conditions géologiques. On estime qu’à Sleipner la résolution de la sismique 4D au toit du réservoir est de l‘ordre de 2800 tonnes de CO2 (Arts et Vandenweijer, 2011) ; ceci laisse espérer qu’au moins une quantité équivalente pourrait être détectée si elle venait à s’échapper du complexe de stockage. Cela pose, entre autres, le problème de la fréquence des campagnes de sismique 4D, par rapport au début de la fuite. Un suivi permanent ou des prélèvements réguliers dans un puits d’observation atteignant l’aquifère de contrôle pourront permettre la détection directe et précoce de quantités de CO₂ beaucoup plus faibles, pour autant que la fuite ait déjà atteint ce puits.

Le développement d’outils nouveaux pour la détection directe ou indirecte des fuites est un domaine en plein développement qui fait l’objet de nombreux travaux de recherche. En particulier, les pilotes d’échappement contrôlé de CO₂ à faible profondeur dans le sous-sol doivent permettre prochainement de tester et de qualifier ces outils.

Détection et quantification des relâchements au niveau des compartiments sensibles (aquifères d’eau potable, surface)

La surveillance de ces compartiments sensibles est également fondamentale dans la maîtrise des risques, en particulier parce que ceux-ci concernent la qualité des eaux et la santé humaine, qui sont deux enjeux de premier ordre pour l’administration, l’exploitant et le public. Il est possible de surveiller directement les aquifères d'eau potable et les environnements de surface, plus facilement accessibles. Des lignes de base* couvrant différentes périodes de l’année et situations hydriques sont nécessaires pour faire la part entre les variations liées aux conditions de surface et une fuite de CO2

d’origine profonde. Dans son plan de surveillance des aquifères d’eau potable, l’exploitant devra prendre en compte les réglementations existantes (en particulier la Directive Cadre sur l’Eau). Cependant, la détection d'une anomalie significative peut faire craindre de ne plus disposer d'un délai suffisant pour intervenir avec efficacité.

C'est la raison pour laquelle les dispositifs de surveillance installés à proximité plus grande du réservoir de stockage (par exemple, un aquifère de contrôle) sont indispensables.

Impacts environnementaux

A l’image de nombreuses activités industrielles, les impacts environnementaux sont peut-être les plus difficiles à détecter ; pour le moment il y a peu d’études, en dehors de celles menées sur les analogues naturels, sur l’impact de fuites diffuses de CO₂ sur les écosystèmes. Malgré ces lacunes, il faudra définir à l’avance quelles seront les espèces faunistiques et floristiques à observer, effectuer un état zéro puis des observations périodiques qui pourront être rapprochées dans le temps, s’il y a suspicion d’une arrivée de CO2 en surface.