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Gomparaison
entre les moddles
g6ologiques
3D faill6 et non-faill6
pour les calculs de
capacit6s
effectives de stockage g6ologique
du CO2
dans le bassin des Basses-Terres
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Gomparaison
entre les modiles g6ologiques
3D faill6 et non-faill6
pour les calculs de capacit6s
effectives
de stockage
g6ologique
du
GOz
dans le bassin des Basses-Terres
du Saint-Laurent
RAPPORT
FINAL
I N RSCO2
-2013-V3.2
Par
Karine
B6dard,
F6lix-Antoine
Gomeau
et Michel
Malo
Soumis
au Ministire du D6veloppement
durable,
de I'Environnement
et des Parcs
Juin 2013
- Qu6bec
R-1440
l : ' , s : ; r r - , 1 i , ; r t i o i , a l f c . i a r e r h e r c i ; e s c j t l r i l i f i c ! " t a - C e n i r e E a u l e i r e E n r . i r c n n e n l e n l , 4 ! t i l d € l a L o l r f o n n e , fl u € b e r . , C l c , C 1 K 9 A g
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TABTE
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1 . l N T R o D u c i l o N
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. . . 7
L . 7 . C h o i x
d u b a s s i n
p o u r les calculs
d e c a p a c i t 6
d e s t o c k a g e
d e C O 2 . . .
. . . 7
1.1.1. Critires
favorables
pour le stockage
giologique
du COz
dons
les Bosses-Terres
du Soint-Lourent...
7
I . 2 . G 6 o l o g i e
d u b a s s i n
d e s B a s s e s - T e r r e s
d u S a i n t - 1 a u r e n t . . .
. . . 9
2. MoDErEs
eEoloerques
3D oes
BAssEs-TERRes
ou Sntrur-LluRENT...
...11
2 . L . M o d d l e
g 6 o l o g i q u e
3 D n o n - f a i l l 6
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2 . 3 . M o d E l e
g 6 o l o g i q u e
3 D fa i l l 6
. . . 1 3
3. CnpncrrE
EFFEcnvE
DE
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Besses-TERRES
Du Snlrur-1auneNT...
...16
3 . 1 . M e t h o d o l o g i e
d e c a l c u l
d e l a c a p a c i t 6
e f f e c t i v e
d e s t o c k a g e
. . . 1 6
3 . 2 . S p 6 c i f i c i t 6 s
d e l a m e t h o d o l o g i e
a u Qu6bec
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3.2.2.
3 . 3 . C a p a c i t 6 s
e f f e c t i v e s
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c a l c u l 6 e s . . . .
. . . 2 2
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Projet INRSCO2-20L3-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage g6ologique du CO2
Pr6ambule
Le Ministdre du Ddveloppement durable, de I'Environnement et des Parcs (MDDEP) a octroyd une subvention ir I'INRS-ETE pour mettre en place une chaire de recherche sur la sdquestration g6ologique du CO2 au Qu6bec. Le d6cret n" 714-2008 approuvant l'octroi a 6t6 adoptd le 25 juin 2008. La subvention d'une durde de cinq ans (exercices financiers 2008-2009 d,2012-2013) provient du Fonds vert. La crdation de la chaire s'inscrit dans I'action 20 du Plan d'action 2006-2012 sur les changements climatiques intitul6 < Le Qudbec et les changements climatiques, un ddfi pour l'avenir >.
Les travaux de la chaire permettront d'explorer les principales options de sdquestration g6ologique du COz au Qu6bec. Les objectifs principaux sont d'dvaluer la capacit6 de stockage du CO2 au Qu6bec, de tester quelques sites pour leur potentiel de r6tention du CO2 aprds injection, et de former une expertise au Qu6bec dans le domaine de la technologie du captage et de la s6questration du CO2 (CSC). Les objectifs secondaires pour arriver d r6pondre aux objectifs principaux sont de: l) faire l'inventaire des r6servoirs gdologiques potentiels au Quebec; 2) fatre I'inventaire des sources majeures d'dmission de COz au Qu6bec; 3) compiler les travaux r6alisds ailleurs dans le monde sur la technologie du CSC; a) caract6riser les paramdtres g6ologiques et g6ophysiques des r6servoirs potentiels; 5) 6valuer leur capacit6 de stockage; 6) choisir des sites potentiels pour rdaliser des essais d'injection de COz; 7) tester un ou deux sites avec suivi sur une p6riode d'un d deux ans pour 6valuer la capacitd de rdtention du COz et les risques de fuite. En marge de I'atteinte des objectifs mentionnds plus haut, les travaux compldmentaires concernent l'6valuation des enjeux socio-6conomiques de I'implantation de la technologie du CSC au Qu6bec (lois, s6curit6, etc.) et des 6tudes technico-dconomiques pour I'implantation d'une usine pilote.
Les cinq volets de recherche suivants permettront d'atteindre les objectifs et de r6aliser les travaux compl6mentaires : l. Inventaire 2. Caractdrisation 3. Capacit6 de stockage 4. Test-pilote 5. Enjeuxsocio-6conomiques
Le pr6sent rapport sur I'estimation de la capacit6 de stockage du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent cadre dans le volet capacit6 de stockage.
Projet
INRSCO2-2013-V3.2
- Moddles
g6ologiques
3D et calculs
de capacit6s
de stockage
g6ologique
du CO2
Sommaire
Le bassin s6dimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent est celui qui pr6sente le plus grand potentiel pour le stockage g6ologique du CO2 dans le sud du Qu6bec. Ce bassin contient d'excellents ensembles rdservoir-couverture, une grande quantit6 de donn6es sismiques et de puits est disponible, I'accessibilitd est facile et les infrastructures sont bien ddveloppdes. De plus, des aquiferes salins sont pr6sents en profondeur au sein de la s6quence s6dimentaire et constituent les cibles pour le stockage du COz.
La capacitl effective de stockage g6ologique du CO2 dans les aquifdres salins du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent a 6t6 6valu6e d l'aide de moddles g6ologiques 3D qui ont permis de calculer les volumes des unitds d'intdr€t de m€me que la dens.it6 du CO2 en tout point du moddle en fonction des gradients de temp6rature et de pression. A des fins de comparaisons, deux moddles ont 6t6 utilis6s : un moddle non-faill6 et un moddle failld plus complexe. L'objectif 6tant de ddterminer si la construction et l'utilisation d'un moddle plus complexe et plus prds de la r6alit6 s'avdrent pertinentes pour l'6valuation des capacitds de stockage d I'dchelle d'un bassin. La capacitf effective des formations de Cairnside et de Covey Hill a 6t6 calcul6e d I'aide de la densit6 du CO2, de la porosit6 moyenne des unit6s g6ologiques, du volume de ces unit6s et des facteurs d'efficacitd pour le stockage du CO2 dans les aquifdres salins. La Formation de Cairnside 6tant plus mince et moins poreuse que la Formation de Covey Hill, sa capacit6 effective de stockage du CO2 est moindre peu importe le moddle 3D utilis6. Pour l'ensemble du bassin, Iacapacitl effective de stockage est estim6e d 0,7 d 8,58 gigatonnes de CO2 en fonction des differents facteurs d'efficacit6 utilis6s et des modeles 3D. Etant donn6 que les grands 6metteurs g6ndrent prds de 20 millions de tonnes de CO2 par ann6e dans la province de Qu6bec, le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent peut th6oriquement emmagasiner les 6missions de CO2 de la province pour une p6riode allant de 35 d 429 ans. En gEnEraI, les capacit6s effectives calcul6es d I'aide du moddle non-failld sont environ 13% infdrieures ii celles obtenues d I'aide du moddle faill6 plus complexe.
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Projet
f NRSCO2-2OL3-V3.2
- Moddles
g6ologiques
3D et calculs
de capacit6s
de stockage
g6ologique
du CO,
1. Introduction
Selon le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'6volution du climat (GIEC ou IPCC: Intergovernmentql Panel on Climate Change), le r6chauffement climatique serait trds probablement d'origine anthropique et aurait comme principale cause l'augmentation des 6missions de gaz d effet de serre dans l'atmosphdre (IPCC, 2007). I-r- dioxyde de carbone (CO2) est I'un de ces gaz d effet de serre 6mis par plusieurs types d'industries utilisant la combustion d'hydrocarbures. Plus du tiers des 6missions de CO2 dans le monde est produit par des sources concentrdes (centrales thermiques, cimenteries, raffineries...) qui vont encore continuer d utiliser des combustibles fossiles dans les prochaines ann6es (IPCC, 2005).
Dans ce contexte, le captage et le stockage du CO2 (CSC) repr6sente une solution potentielle d court-moyen terme pour r6duire les dmissions anthropiques de CO2 dans I'atmosphdre (Bachu, 2003; IPCC, 2005; IEA, 2008). En effet, la technologie p.our stocker du CO2 dans les r6servoirs de gaz et de p6trole ainsi que dans les aquifbres salins profonds est maintenant pr6te d 6tre appliqri6e dans le contexte du CSC (Bachu, 2008). A l'dchelle mondiale, la recherche de sites potentiels pour le stockage g6ologique du CO2 va bon train dans les bassins s6dimentaires d6jd connus pour la qualitd de leurs r6servoirs g6ologiques. La premidre 6tape de ces recherches consiste i identifier les bassins offrant un potentiel ad6quat pour le stockage g6ologique du CO2 et d'en d6terminer leur capacit6 de stockage.
1.1. Choix du bassin
pour les calculs
de
capacit6
de stockage
de COz
L'analyse du potentiel des bassins sddimentaires du sud du Qu6bec pour le stockage g6ologique du CO2 a d6montr6 que le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent est celui qui offre le potentiel le plus intdressant et qu'il est le bassin d prioriser pour les 6tudes plus pouss6es (B6dard et a1.,2011; Malo et
Bddard, 2012; Trdn Nggc et al., 2012). Ce rapport reprdsente I'dtape suivante de notre ddmarche, c'est-d-dire 6valuer la capacit6 effective de stockage du bassin. L'objectif de cette dtape est de ddterminer si le bassin offre une capacit6 de stockage int6ressante pour le stockage du COz et, si oui, quels sont les r6gions d cibler pour des analyses plus pouss6es.
1.1.1. Critires favorables pour le stockage gdologique du COz dans les Basses-Terres du Saint-Laurent
Couwant un territoire d'environ 20 000 km2, le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent se montre favorable pour la plupart des critdres d'analyse du potentiel des bassins sddimentaires pour le stockage g6ologique du COz (Bddard et al.,20ll).
En effet, le bassin est relativement peu d6form6, les roches-r6servoirs et roches-couverture sont connues et elles se trouvent d des profondeurs ad6quates de 800 d 3500 mdtres dans la majeure partie du bassin. Grdce d une exploration p6trolidre et gazidre active dans le bassin depuis les ann6es 1930, plusieurs donn6es g6ologiques sont disponibles (dont des profils sismiques et plus de 250 puits) (Figure l) permettant ainsi I'interprdtation du bassin en profondeur. De cette manidre, il est possible d'dvaluer la g6om6trie des unit6s d l'6chelle du bassin et donc d'en estimer leur volume. Une fois cette 6tape rdalis6e, il devient ensuite possible de calculer des capacit6s de stockage du CO2.
Finalement, plusieurs grands 6metteurs de COz sont situ6s directement d la surface du bassin, principalement entre Qudbec et Montr6al (Figure 2). D'aprds les donn6es d'Environnement Canada (2009), les grands 6metteurs de CO2 6mettent environ 20 millions de tonnes de COz par ann6e au Qu6bec, ce qui permet de croire qu'il y aurait des possibilit6s de captage du COz d peu de distance des r6servoirs potentiels de stockage.
Projet INRSCO2-2013-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage 96ologique du CO2
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70"YV 6s'WFigure I - Carte des bassins s6dimentaires du sud du Qu6bec et de I'ensemble des puits p6troliers et gaziers for6s sur le territoire. P-C : permo-carboniftre. S-D : siluro-d6vonien. e-O : cambro-ordovicien.
Figure 2 - Carte des bassins s6dimentaires du sud du Qu6bec et des 6missions de CO2 par installation industrielle en 2009. P-C : permo-carbonifire. S-D : siluro-d6vonien. €-O : cambro-ordovicien. Source des donn6es pour les 6missions de CO2 : Environnement Canada (2009). La ligne A-A' localise la ligne sismique M-200r @igure 4).
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Projet INRSCO2-2073-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage 96ologique du CO2
1.2. Gdologie
du bassin
des Basses-Terres
du
Saint-Laurent
Le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent est localis6 dans le sud-ouest du Qudbec (Figure I et Figure 3). Il est limit6 par le socle pr6cambrien de la Province de Grenville au nord-ouest et par le bassin cambro-ordovicien des Appalaches au sud-est. Des failles normales de direction SO-NE affectent la succession et le bassin devient plus profond vers le sud-est et se prolonge sous le bassin cambro-ordovicien des Appalaches (Castonguay et aI.,2010). La faille de Logan sdpare le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent et celui des Appalaches, oir les roches de la plate-fonne se retrouvent imbriqu6es sous forme d'dcailles de chevauchement. La Figure 4 montre I'architecture du bassin basde sur I'interpretation de la ligne sismique M-2001 de SOQUIP.
La succession de la plate-forme s6dimentaire cambro-ordovicienne des Basses-Terres du Saint-Laurent a une dpaisseur jusqu'2r plus de 3000 mdtres et repose en
discordance sur le socle pr6cambrien du Bouclier canadien (Globensky, 1987). Les roches r6servoirs potentielles sont celles des grds du Groupe de Potsdam, des dolomies du Groupe de Beekmantown et des calcaires des groupes de Chazy, de Black River et de Trenton, tandis que les roches silicoclastiques d grains fins des groupes du Shale d'Utica, de Sainte-Rosalie et de Lorraine sont consid6r6es comme des roches-couverture (Figure 5).
Dans le cadre de I'dtude des capacit6s de stockage du bassin, seules les roches autochtones de la plate-forme sont moddlisdes et 6valu6es. Les roches des 6cailles de chevauchement ne sont donc pas incluses dans les calculs car la mod6lisation de leur g6om6trie est trop complexe pour en 6valuer des volumes et l'on ne possdde que trop peu de donn6es d l'6chelle du bassin. De plus, les analyses sont effectu6es sur l'unitd principalement calcaire regroupant les groupes de Trenton, de Black River et de Chazy, sur les formations de Beauharnois et de Theresa du Groupe de Beekmantown et sur les formations de Cairnside et de Covey Hill du Groupe de Potsdam.
74"W 7 1 ' W
Figure 3 - Carte g6ologique du sud-ouest du Qu6bec (adapt6e de Systime d'information g6oscientifique p6trolier et gazier (SIGPEG), 2008). Localisation des puits r6interpr6t6s et limites du modile g6ologique 3D.
Projet INRSCO2-2Ot3-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage 96ologique du CO2
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Figure 4 - Architecture du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent le long de la ligne sismique M-2001. Voir tr'igure 2 pour localisation. Adapt6e de Castonguay et al. (20f 0).
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Figure 5 - Colonne stratigraphique des Basses-Terres du Saint-Laurent (Comeau et aL.,2012).
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Projet INRSCO2-2OL3-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage g6ologique du CO2
2. Modiles g6ologiques
3D des
Basses-Terres du Saint-Laurent
Le moddle g6ologique 3D du bassin a 6t6 r6alis6e avec le logiciel GOCAD@ qui est spdcialement congu pour la mod6lisation g6ologique 3D. La m6thodologie de la construction des moddles g6ologiques 3D est d6taill6e dans le rapport de la Chaire INRSCO2-2012-V1.5 (B6dard et Malo, 2012).
Deux moddles gdologiques 3D ont 6t6 construits afin de rdaliser les calculs de capacitd de stockage de CO2 dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent. L'objectif dtait de compilrer les capacitds calculdes afin de d6terminer si I'utilisation d'un moddle plus complexe, faill6 dans ce cas-ci, est pertinente pour les calculs d l'dchelle du bassin. En effet, les moddles plus complexes repr6sentent plus pr6cis6ment la r6alit6 mais sont plus longs d construire ce qui n'est peut-6tre pas essentiel ir cette 6tape de I'dvaluation des bassins.
Les moddles g6ologiques 3D construits dans le cadre de cette 6tude ont les mdmes dimensions, soit une longueur de 240 km (NE-SO), une largeur de 130 km (NO-SE) et une hauteur de 7500 m.
2.1. Modile g6ologique 3D non-faill6
La surface du sommet de chacune des unit6s g6ologiques d'intdr€t a 6t6 mod6lis6e essentiellement ir I'aide des donn6es de puits (Figure 6). Cependant, la surface du sommet du socle pr6cambrien a aussi 6t6 contrainte d I'aide des donn6es de la carte structurale du toit du socle pr6cambrien (Systdme d'information gdoscientifique p6trolier et gazier (SIGPEG), 2009). De plus, les surfaces ont etd contraintes ir I'aide des contacts de la carte g6ologique et des connaissances g6ologiques du bassin qui indiquent la pr6sence ou I'absence de certaines unit6s dans certaines r6gions sp6cifiques. Finalement, chacune des surfaces a 6t6 contrainte par rapport aux autres afin de s'assurer que les unit6s respectaient la s6quence stratigraphique (Figure 5).
Lorsque toutes les surfaces des sommets des unit6s g6ologiques ont 6t6 mod6lis6es, un moddle volumique est construit en remplissant l'espace entre chacune des surfaces avec des voxels ayant des propri6t6s diffdrentes selon I'unitd qu'ils composent (Figure 6). Le voxel (<< Volume element >) est I'dquivalent en trois dimensions du pixel (<< picture element >>).
Comme la capacitd de traitement des ordinateurs utilis6s pour la mod6lisation 3D est limit6e, la quantit6 de cellules (voxels) du moddle devait donc €tre limit6e. Compte tenu de cette contrainte, et af,ur de respecter la forme du bassin oi les changements g6om6triques les plus importants sont associ6s dr I'approfondissement du bassin vers le sud-est, les voxels ne sont pas cubiques. Ils ont plut6t une longueur de 1000 mdtres OIE-SO), une largeur de 750 mdtres (NO-SE) et une 6paisseur verticale de 10 mdtres, ce qui permet de mieux repr6senter les changements brusques dans le bassin vers le sud-est et d'avoir tout de m€me une bonne r6solution verticale.
Projet INRSCO2-2OI3-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage 96ologique du CO2
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Figure 6 - Modile g6ologique 3D volumique non-faill6 du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent. Les points de couleurs repr6sentent les positions des sommets des unit6s dans les puits. Exag6ration verticale : 5X.
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- Moddles
g6ologiques
3D et calculs
de capacit6s
de stockage
96ologique
du CO2
2.3. Modile g6ologique 3D faill6
Un moddle g6ologique fallll a aussi 6t6 construit dans le but de comparer les capacitds de stockage entre deux moddles de complexitds differentes d I'dchelle du bassin. La mdthodologie suivie pour la construction du moddle faill6 est g6n6ralement la mdme que pour le moddle non-faill6 ou uniforme, mis d part la pr6sence des failles qui viennent d6couper les surfaces des sommets des unit6s. Les deux moddles gdologiques 3D ont exactement les m6mes dimensions et les m€mes unit6s g6ologiques y sont mod6lis6es.
Treize (13) failles normales ont 6t6 int6gr6es dans le moddle g6ologique 3D failld (Figure 7 et Figure 8). Ces failles ont 6td mod6lis6es car elles sont associ6es d des d6placements verticaux importants. Comme peu d'informations existent sur le pendage des failles dans les Basses-Terres du Saint-Laurent, elles ont toutes 6t6 mod6lis6es avec un pendage r6gulier de 60o perpendiculaire au trac6 des failles.
Ces failles ont 6t6 mod6lis6es ahn de bien reprdsenter la structure en escalier du bassin qui s'approfondit vers le sud-est par I'action des failles normales orient6es SO-NE. Le nombre de failles pr6sentes est
plus 6lev6 dans la r6alit6 mais la mod6lisation de I'ensemble des failles d I'dchelle du bassin n'dtait pas pertinente. Il a 6t6 d6cid6 de ne mod6liser que les failles pr6sentant les d6placements verticaux les plus significatifs afin de simplifier la mod6lisation i I'dchelle du bassin.
Les failles de chevauchement associ6es d la d6formation du bassin cambro-ordovicien des Appalaches n'ont pas dt6 moddlis6es car peu de donn6es sont disponibles afin de contraindre leur position et leur profondeur. De plus, elles n'dtaient pas d'un intdrdt particulier pour cette 6tude qui se concentre sur le domaine autochtone non d6form6 par les failles de chevauchement.
La surface du sommet de chacune des unit6s gdologiques d'int6r€t a 6t6 mod6lis6e en suivant la m6me m6thodologie que pour le moddle non-faill6. Chaque surface est cependant d6coup6e en bloc de failles et chaque partie est mod6lis6e sdpar6ment en s'assurant d'un ddplacement vertical normal entre chaque faille.
Le moddle volumique est aussi construit en suivant la mdme m6thode que le moddle non-faill6 et les voxels ont les m6mes dimensions.
Projet INRSCO2-20L3-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage g6ologique du CO2
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7,1"W 7 3 " WFigure 8 - Ensemble des failles norrnales mod6lis6es en 3D. La surface jaune repr6sente la faille de Yamaska. Les surfaces bleues repr6sentent les cours d'eau principaux de la r6gion. Exag6ration verticale : 5X.
- Failles observees en surface - Failles prqetges A E surfBce - Lrmrtes du modele 3D
Figure 7 - Projection i la surface des failles normales interpr6t6es et mod6lis6es.
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INRSCO2-20t3-V3.2
- Moddles
g6ologiques
3D et calculs
de capacit6s
de stockage
g6ologique
du CO2
Figure 9 - Modile g6ologique
3D volumique faill6 du bassin des Basses-Terres
du Saint-Laurent. Les points
Projet INRSCO2-2013-V3.2 - Moddles g6ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage g6ologique du CO2
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3. Capacit6 effective de stockage des Basses-Terres du Saint-Laurent
3.1. M6thodologie de calcul de la capacit6 effective de stockage
La m6thodologie choisie est basde sur celle utilis6e par le Ministdre des Ressources naturelles du Canada pour calculer la capacit6 de stockage dans les aquifdres salins des bassins s6dimentaires du Canada dans le cadre du National Atlas of CO2 Geological Storage Potential and Capacity in Canada (ci-aprds le National Atlas of Canada) @achu et al., 2010). La mdthodologie utilisde pour calculer la capacit6 de stockage g6ologique du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent permet de calculer sa capacitd effective de stockage de COz (masse de CO2) selon la pyramide techno-6conomique des ressources de Bachu et al. (2007) (Figure l0). La capacit6 effective est d6hnie comme un sous-ensemble de la capacitd totale du bassin, soit la capacit6 theorique, que I'on obtient en restreignant cette capacit6 avec des limites techniques et gdologiques.
Figure 10 - Pyramide des capacit6s de stockage g6ologique du CO2 (d'apris Bachu et aL,2007).
Selon la m6thodologie adopt6e par le National Atlas of Canada, la capacitl effective de stockage d'un bassin est limit6e par une profondeur minimale ainsi que par un facteur d'efficacitd de stockage du CO2 dans les aquifdres salins. Cette profondeur minimale est de 800 mdtres et vise ainsi d assurer la s6curit6 des sites de stockage (Bachu et a|.,2010). Les facteurs d'efficacit6 permettent, quant ?r eux, d'avoir un estim6 de la proportion du volume du bassin pouvant 6tre occup6 par du CO2 inject6.
Le calcul volum6trique des capacitds se fait d I'aide de I'dquation ci-dessous :
M c o r = E s a r i n X A x h x Q x P c o z Mcor: masse de CO2 Gg)
Esarint facteur d'efficacit6 de stockage du CO2 pour les aquifdres salins
A : aire des r6servoirs du bassin (m2) h : 6paisseur des rdservoirs du bassin (m)
e i porosit6 des r6servoirs du bassin (%)
Pco, i densite du CO2 en profondeur (kg/m3) Les diff6rentes 6tapes de la m6thodologie utilis6e par le Nqtional Atlas of Canada s'effectuent avec le logiciel ATcGIS@ d I'aide de donn6es g6ographiques matricielles (grids, rasters) contenant des cellules de 5 kilomdtres de c6t6. Ainsi, les diffdrentes propri6t6s telles que l'dpaisseur et la porositd des unitds r6servoirs de m6me que la densit6 du COz varient en fonction de la position dans le bassin. Les profondeurs et les 6paisseurs des unit6s r6servoirs sont interpol6es ou krig6es ayec ATcGIS@ d I'aide des donndes de puits. Selon la m6thodologie suivie par le National Atlas of Canada, l'epaisseur des rdservoirs 6quivaut d leur 6paisseur effective d6duite d partir des analyses de porosit6, des donn6es de puits, des 6paisseurs nettes des intervalles productifs, etc.
La densit6 du CO2 est calculde en fonction de la pression et de la tempdrature dans le bassin. Selon la m6thodologie d6velopp6e par le National Atlas of Canada,la pression est calculde d I'aide d'un gradient de pression (d6riv6 des donn6es d'essais aux tiges dans les puits). Cette pression est toutefois augment6e de 10Yo pour tenir compte de I'augmentation possible de la pression dans les r6servoirs suite d I'injection de
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3.2. Sp6cificit6s
de la m6thodologie
au
Qu6bec
3.2.1. Profondeur
Tel que d6crit ci-dessus, la capacit6 effective de stockage du CO2 est calculde d partir d'une profondeur minimale de 800 mdtres. Ceci permet de s'assurer que le CO2 aura une densitd dlevde et qu'il ne sera plus ir I'etat gazeux.
Une profondeur maximale de 3500 mdtres a 6galement
6td impos6e comme conrainte car, au-deli de cette profondeur, les co0ts d'opdration deviennent trop importants (Bachu, 2003). De plus, peu de donn6es de puits existent au-deld de cette profondeur dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent et les interprdtations g6ologiques sont marqudes d'une plus grande incertitude. La Figure I I montre les deux moddles volumiques 3D entre les profondeurs de 800 et 3500 mdtres tels qu'utilisds dans les calculs de
capacitf effective.
Figure 11 - Modites 3D volumiques non-faill6 et faill6 du bassin montrant les unit6s analys6es entre les profondeurs de 800 et 3500 mitres. Rouge : Socle pr6cambrien. Orange : Covey Hill. Jaune : Cairnside. Mauve fonc6 : Theresa. Mauve pAle : Beauharnois. Bleu : TrentonlBlack River/Chazy. Exag6ration verticale 5x.
Projet INRSCO2-2073-V3.2 - Moddles 96ologiques 3D et calculs de capacit6s de stockage 96ologique du CO2
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3.2.2. Facteur d'efficacit6Les facteurs d'efficacitd pour le stockage du CO2 dans les aquifdres salins varient selon la lithologie des unit6s r6servoirs. Les lithologies les plus propices pour le stockage du COz sont les dolomies, suivies par les roches clastiques puis par les calcaires.
Les facteurs d'efficacitd pour les aquifdres salins profonds (Tableau l) tiennent compte de :
o la fraction de I'aquiftre pouvant €tre occupde par du CO2 ;
o la fraction de l'unitd avec une porosit6 et une permdabilit6 addquates pour I'injection de CO2 ; o la fraction de la porosit6 qui est interconnectee ; o I'efficacitd du d6placement horizontal ;
o I'efficacitd du ddplacement vertical ;
o I'efficacitd du ddplacement ir I'dchelle des pores ; o la flottabilit6 du CO2.
Tableau I - Facteurs d'efficacit6 pour les aquifires salins profonds selon trois intervalles de probabilit6s (DOE-NETL, 2010, annexe 3).
3.2.3. Porosit6
La porosit6 utilis6e dans les calculs ne varie pas ir I'intdrieur des unitds rdservoirs. Comme relativement peu de donndes de porositd existent d I'dchelle du bassin, une porosit6 moyenne a 6t6 calculde d I'aide des donn6es disponibles dans les analyses de carottes. On anticipe une sur6valuation de la porosit6 calcul6e par rapport d la porosit6 moyenne r6elle. Ceci est d0 au choix m6me des intervalles de profondeur of les analyses ont 6t6 r6alis6es et qui sont choisies pour leur porosit6 6lev6e. Afin de diminuer cette sur6valuation, les porosit6s calcul6es ont 6t6 arrondies vers le bas (Tableau 2). La porosit6 des unit6s g6ologiques analysdes a dtd utilisde comme facteur d'dlimination pour le calcul de leur capacit6. Ainsi, seulement les unit6s g6ologiques ayant une porosit6 superieure d 20% ont 6td retenues pour les calculs de capacitd, c'est-d-dire les formations de Covey Hill (5%) et de Cairnside (3%). Les groupes de Beekmantown et de Chazy-Black River-Trenton (Figure 5) ont 6t6 exclus des calculs de capacit6 de stockage.
Tableau 2 - Porosit6 moyenne des diff6rentes
unitds g6ologiques
analys6es.
3.2.4. Volume
Contrairement d la m6thodologie du Nationql Atlas of Canada qui calcule le volume des unit6s d I'aide de I'aire de la surface de leur sommet et de leur 6paisseur, le volume des unitds est calculd directement ir I'aide du moddle g6ologique 3D. Ceci permet, entre autres, d'avoir une meilleure repr6sentation du bassin et de contraindre les diflErentes unit6s les unes par rapport aux autres dans I'espace tridimensionnel. De plus, le volume total des unit6s rdservoirs est utilisd dans les calculs contrairement au volume effectif utilis6 par le National Atlas of Canada. L'analyse des facteurs d'efficacitd d6montre en effet que, si on choisit les << saline fotmation fficiency factors for geologic and displacement terms >>, on doit utiliser le volume total des formations dans les calculs de capacit6 (DOE-NETL, 2010, appendix B). Ces facteurs d'efficacit6 tiennent compte du pourcentage du volume des pores qui peut 6tre utilis6 pour le stockage du COz. Il n'aurait pas dtd possible et rdaliste de ddterminer avec ceftitude un volume effectif d I'echelle du bassin avec les dorur6es disponibles dans le cadre de cette 6tude. Les Tableau 3 Tableau 4 montrent les volumes calcul6s pour chacune des formations entre les profondeurs de 800 et 3500 mdtres dans les deux moddles 3D. On note que la Formation de Covey Hill est plus volumineuse que la Formation de Cairnside car son 6paisseur est plus importante sur tout le territoire mod6lis6. Dans le moddle non-faill6, entre 800 et 3500 mdtre de profondeur, la Formation de Cairnside a une 6paisseur moyenne de 170 mdtres tandis que la Formation de Covey Hill a une 6paisseur moyenne de 360 mdtres. Dans le moddle faill6, la Formation de Cairnside a une 6paisseur moyenne de ll0 mdtres et la Formation de Covey Hill de 430 mdtres. Malgr6 les diff6rences d'epaisseur des formations entre les deux moddles, l'dpaisseur totale du Groupe de Potsdam est similaire, 530 et 540 mdtres.
Unit6
Porosit6
moyenne
Porosit6 utilis6e
pour les calculs
Trenton Black River Chazy 0,90 0/o
Exclus
Beauharnoisr,25
%
Exclus
Theresar , 5 0
%
Exclus
Cairnside 3,75 0/o3 %
Covey Hill6 , 1 0 %
5 %
Lithologie
Unit6s
E(Pro)E(Pso)
E(Pco) Calcaire Trenton Black River Chazy 0,40yo 1 , 5 0 4,70h Dolomie BeauharnoisTheresa 0,640/o
2,2%
5,syo
Clastique Cairnsideo
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Tableau 3 - Volume des diff6rentes unit6s
analys6es
entre 800 et 3500 mitres de profondeur
dans le modile non-faill6.
Tableau 4 - Volume des diff6rentes unit6s
analys6es
entre 800 et 3500 mitres de profondeur
dans le modile faill6.
Figure 12 - Modites g6ologiques
3D volumiques non-faill6 et faill6 montrant les unit6s utilis6es pour les
calculs
de capacit6
entre les profondeurs
de 800 et 3500 mitres. Rouge: socle
pr6cambrien.
Orange: Covey
Hill. Jaune : Cairnside.
Exag6ration
verticale
: 5x.
Unit6
Volume calcul6(k-t) Volume calcul6 (m-, Cairnside
1342,7
1,342 x l0t2 Covey Hill2918,9
2,919 x l0t2 Total Potsdam4260.91
4,261 x l0r2Unit6
Volume calcul6(km3) Volume calcul6 (m3) Cairnside
866,3
8 , 6 6 3
x l 0 r r
Covey Hill3387,0
3 , 3 8 7
x l 0 r 2
Total Potsdam4253,37
4,253 x l0rz
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3.2.5. Temp6ratureLa densit6 du CO2 varie en fonction de la temp6rature qui varie elle-m€me avec la profondeur selon un gradient de temp6rature. La temp6rature est d6finie par I'dquation :
T = T s + ( L Z x g r a d t e n t T )
Z: temp6rature en profondeur (en mdtres) ?l : temp6rature de surface (en mdtres)
AZ : profondeur par rapport i la surface (en mdtres) gradientT: gradient g6othermique calculd (en "C/m) Dans le cas du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent, une temp6rature moyenne de surface de 8oC a 6t6 utilis6e. Le gradient g6othermique moyen du bassin a dtd dvalud d I'aide des donndes de temp6rature au fond des puits et r6sulte en une valeur de 19,86'C/km ou 0,0199oC/m. L'dquation utilisde pour ddterminer la temp6rature en profondeur dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent est donc :
T = goc + (LZ x 0.0799.C /km) 3.2.6. Pression
La densit6 du CO2 varie en fonction de la pression qui varie elle-mdme avec la profondeur selon un gradient de pression. La pression est definie par I'dquation :
p : LZ x gradientpx I,7 P : pression en profondeur (en MPa)
AZ : profondeur par rapport d la surface (en mdtres) gradientp: gradient de pression calcul6 (en MPa/m)
Tel que sugg6re par la m6thode du National Atlas of Canada, un facteur de 10o/' est ajout6 ir la pression pour tenir compte de I'augmentation de la pression dans le bassin suite d I'injection de COz. Une pression de 0 MPa est approxim6e en surface, d 0 m de profondeur. Le gradient de pression a 6t6 estimd pour le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent d I'aide des donn6es de puits lors des tests de pression et des essais aux tiges et 6quivaut a 0,0098 MPa/m, ce qui est similaire au gradient de pression de 0,0095 MPa/m qui est utilis6 pour les calculs de capacit6 en Ontario (Shafeen et al., 2004). L'dquation utilisde pour d6terminer la pression en profondeur dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent est donc :
p = LZ x 0,01078 Mpa 3.2.7. Densit6 du COz
Les moddles 3D permettent de calculer la temp6rature et la pression en tout point des moddles et non seulement de faire des moyennes en fonction de la profondeur des unit6s g6ologiques 6tudi6es. La densit6 du CO2 est donc calcul6e pour chacune des cellules 3D des moddles ir I'aide d'un programme 6crit en Fortran d6velopp6 d la Ruhr-Universitlit Bochum et bas6 sur les travaux de Span et Wagner (1996).
Avec les gradients de pression et de temp6rature moyens estim6s dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent, le CO2 subit un changement de phase de gaz d liquide ?r environ 500 mdtres de profondeur et sa densitd augmente drastiquement d'environ 173 ir 793 kglm'. Par la suite, la densit6 du CO2 augmente l6gdrement avec la profondeur pour atteindre environ 817 kg/m' a 3500 mdtres de profondeur (Figure l3). Le CO2 est donc dans un 6tat liquide de 800 mdtres ir environ 1160 mdtres oir il passe A l'6tat supercritique jusqu'?r la profondeur limite du moddle de 3500 mdtres.
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3D et calculs
de capacit6s
de stockage
g6ologique
du CO2
Densitd
du CO, en fonstion de la profondeur
dans les Basses-Terres
du Saint-Laurent
Drn*ta du CO: (lc/mll
0 100 2m 3m 400 500 6m 700 Eoo 9m
Figure 13 - Graphique de la densit6 moyenne du COz en fonction de la profondeur dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent. La zone bleue est comprise entre les profondeurs de 800 i 3500 mitres.
Figure 14 - Densit6 du COz entre 800 et 3500 mitres dans les formations de Covey Hill et de Cairnside dans le modile 3D faitl6 et non-faill6. fchelle de couleurs : 802 d 818 kg/m3. Exag6ration verticale : 5x.
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3.3. Capacit6s
effectives
de stockage
du COz
calcul6es
La capacit6 effective de stockage du COz dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent est calcul6e pour les formations de Covey Hill (porosit6 5%o) et de Cairnside (porosit6 3o/o) entre les profondeurs de 800 et 3500 mdtres avec les facteurs d'efficacite pour les lithologies clastiques (Tableau l).
A I'aide des moddles g6ologiques 3D faill6 et non-faill6, la capacitl effective de stockage du CO2 est calcul6e voxel par voxel pour plus de pr6cision. L'agr6gation des cellules individuelles permet, par la suite, d'obtenir une capacit6 effective de stockage du CO2 totale pour chacune des unitds g6ologiques d l'6tude. La Formation de Cairnside dtant plus mince et moins poreuse que la Formation de Covey Hill, la
Tableau 5 - Capacit6 effective de stockage de CO2 (en gigatonnes) des formations de Covey Hill et de Cairnside selon les diff6rents facteurs d'efficacit6 pour les lithologies clastiques dans le modile g6ologique 3D non-faill6.
capacit6 effective de stockage y est moins importante (Tableau 2, Tableau 5Tableau 6).
Les Figure 15 et Figure 16 montrent la rdpartition g6n6rale des capacit6s effectives de stockage dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent dans les deux formations ir I'dtude. Cependant, le moddle gdologique ayant 6td crdd ir I'echelle du bassin, une grande prudence est de mise lorsque l'on souhaite faire des hypothdses d l'6chelle locale car I'incertitude y est 6lev6e. Ces cartes donnent un apergu des r6gions probablement plus favorables au stockage du CO2 i I'aide de caractdristiques moyennes du bassin et peuvent 6tre utilisees afin de cibler des sites pour r6aliser des 6tudes plus pouss6es. Mais elles ne sont pas faites pour evaluer les capacites de stockage d'un site en particulier.
Tableau 6 - Capacit6 effective de stockage de COz (en gigatonnes) des formations de Covey Hill et de Cairnside selon les diff6rents facteurs d'efficacit6 pour les lithologies clastiques dans le modile g6ologique 3D failt6.
Unit6s
Capacit6 avec E(P16) (sisatonne) Capacit6 avec E(P56) (sisatonne) Capacit6 avec E(Pee) (sisatonne) Cairnside0 , 1 6
0,65
t , 7 4
Covey Hill0,54
2 , 1 1
5 , 6 9
TOTAL
0,70
2r76 7r43Unit6s
Capacit6 avec E(P1s) (sisatonne) Capacit6 avec E(P56) (sisatonne) Capacit6 avec E(Pes) (sisatonne) Cairnside0 , 1
1
0,42
l , l 4 Covey Hill0,70
2,76
ti44
TOTAL
0 , 8 1
3 , 1 8
8,5E
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de stockage
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Figure 15 - Capacit6 effective de stockage du COz dans la Formation de Cairnside dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent calcul6e i l'aide des modiles 3D non-faill6 et faill6 avec un facteur d'efficacit6 E(Pso). R6solution des cellules: lkm x lkm.
2 3
Moddle
non-fail16
L{A.ndc . . r U t E t ! , g D - Unt€r d! mdab 3D C|pEi| *debeEd.CO,d CdmddG pow qP60) (bnilr/kml ; m m 3 s(It L6e.nde ... LitF togln - Unl6&rdtle3DCrprcit6 rtc dcl|or rt COr (fu
C.lmldG pour qP60) (tonmr/|o)
u 3500@
Modile non-fail16
Lagcnde . . . L t t t . L o g | n - Unt€6 du mdeb 3D Clprit6 dc dck4r d. CO, dr CovGy Hi[ pour E(P50) (ao|Erlmf) ; 900lr0
6 000
Projet
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Figure 16 - Capacit6 effective de stockage du CO2 dans la Formation de Covey Hill dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent i I'aide des modCles 3D non-faill6 et faill6 avec un facteur d'efficacit6 E(Pso). R6solution des cellules: lkm x lkm.
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4. Conclusions
La capacitl effective de stockage g6ologique du COz dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent a 6t6 calcul6e selon la m6thodologie utilis6e par le Nqtionql Atlas of CO2 Geological Storage Potential and Capacity in Cqnada (Bachu et al., 2010). Cependant, deux moddles g6ologiques 3D du bassin ont 6t6 utilis6s pour r6aliser les calculs de capacit6. Ceci a permis d'obtenir des capacitds de stockage en fonction de la profondeur en tout point du bassin. De plus, les calculs ont 6t6 limit6s aux profondeurs de 800 a 3500 mdtres pour respecter les contraintes de s6curitd et de co0ts d'opdration.
Les estimations des gradients g6othermiques et de pression ont permis de ddterminer l'6tat du CO2 i toutes les profondeurs dans le bassin. Ainsi, le CO2 passe de I'dtat gazeux a l'6tat liquide dense d environ 500 mdtres et passe ensuite d I'dtat supercritique dr environ 1160 mdtres de profondeur dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent en fonction des paramdtres de pression et de temp6rature. Ce qui implique que, dans les calculs de capacit6, une partie du CO2 calcul6 est sous forme liquide, soit de 800 dr 1160 mdtres de profondeur. Malgr6 ce fait, le CO2 a tout de mdme une densitd dlevde, de I'ordre de 800 kg/m3, et on ne note pas de variation drastique de densit6 au passage de 1'6tat liquide d I'dtat supercntlque.
La porositd est un facteur d6terminant dans le choix des unitds gdologiques d privil6gier pour les calculs de capacit6 de stockage du CO2. Comme les unit6s du Trenton{Black River/Chazy, du Beauharnois et du Theresa d6montrent des porosit6s moyennes de moins de 2To, elles ont 6t6 6limin6es des calculs de capacit6. Seules les formations de Cairnside et de Covey Hill, avec des porosit6s de 3 et 5 % respectivement, ont 6t6 consid6r6es dans les calculs.
La Formation de Covey Hill 6tant plus 6paisse, donc plus volumineuse, et plus poreuse que la Formation de Caimside, sa capacit6 effective de stockage du CO2 est environ quatre fois plus importante. Ceci en fait la formation d prioriser pour les 6tudes futures pour la s6lection de sites de stockage de COz.
Les cartes de distribution de la capacit6 effective totale de stockage du CO2 dans le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent donnent des pistes pour la recherche de sites potentiels de stockage, oir quatre r6gions se d6marquent particulidrement (voir les num6ros I ?r 4 sur la Figure 17) :
l) zone lin6aire au nord-est du bassin dans la r6gion de Sainte-Croix et Lotbinidre. au sud de la faille de Yamaska;
2) au nord de la faille de Yamaska, on note un cert;ain potentiel au sud-ouest du Lac Saint-Pierre, dans la r6gion de Sorel ;
3) zone centrale du moddle, entre les failles de Yamaska et de Saint-Wenceslas ;
4) r6gion au sud du bassin, aux alentours de la Baie Missisquoi (Lac Champlain) et de la rdgion de Lacolle, vers la frontidre avec les Etats-Unis.
Afin de mieux illustrer I'ordre de grandeur des capacit6s de stockage calcul6es, il est utile de les comparer i la quantit6 de CO2 6mise par le secteur industriel du Qu6bec. Les grands 6metteurs (ceux qui 6mettent plus de 100 000 tonnes de COz par ann6e) g6ndrent prds de 20 millions de tonnes de CO2 par ann6e dans la province de Qu6bec (Environnement Canada,2010).
Ainsi, le bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent peut thdoriquement emmagasiner les 6missions de CO2 de la province pour une p6riode allant de 35 d,429 ans, ce qui correspond respectivement aux capacit6s de stockage calcul6es pour le moddle non-faill6 avec un facteur d'efficacitd pour P1s et pour le moddle faill6 avec un facteur d'effrcacit6 pour Pes (Tableau 5 et Tableau 6).
La n6cessitd d'utiliser un moddle faill6 plus complexe pour les calculs de capacitd d I'dchelle du bassin ne peut pas 6tre d6montr6e avec les r6sultats obtenus dans cette etude. En effet, les capacitds calculdes ir I'aide des deux moddles sont similaires avec une diff6rence d'environ 13oh. Cette difference n'est pas rdellement significative en comparaison avec I'incertitude li6e d la construction des moddles g6ologiques 3D. Les capacitds obtenues d I'aide des deu4 moddles sont donc aussi valides les unes que les autres, d'autant plus qu'elles sont du mOme ordre de grandeur. Cependant, I'utilisation d'un moddle failld plus complexe permet de mieux cibler les zones d'int6rdt en fonction des structures g6ologique connues comme les failles.
Ainsi, si I'on souhaite obtenir rapidement des capacit6s de stockage de COz pour un bassin s6dimentaire, I'utilisation d'un moddle gdologique 3D simple mais rigoureux s'avdre une bonne option. On obtient ainsi des chiffres valables rapidement. Toutefois, si I'on souhaite pousser les analyses plus loin et identifier des zones d'intdr6t ir prioriser pour des 6tudes plus pouss6es, un moddle plus complexe peut s'avdrer un choix int6ressant et pertinent car plus d'informations gdologiques sont prises en compte lors de la construction du moddle 3D.
Moddle
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L6gende
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INRSCO2-20L3-V3.2
- Moddles
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I'aide des modiles 3D non-faitl6 et faill6 avec un facteur d'efficacit6 E(Pso).
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f NRSCO2-2013-V3.2
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