Hydrates de gaz naturel: Ressource et risques

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Hydrates de gaz naturelRessource et risques

• Pierre Henry CEREGE / Collège de France

• Collaborations
• J.-M. Herri (SPIN, Mines de St Etienne)
• Thèse O. Bonnefoy soutenue en 2005
• J.P. Foucher, H. Nouzé (DRO/GM, IFREMER)
• L. Beaufort, T. de Garidel, G. Menot (CEREGE)
• J. Ashi (ORI, Tokyo)
• IFP, Total, Gaz de France, ENSGCI (Toulouse)

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Historique
http//www.netl.doe.gov/scngo/NaturalGas/hydrates/
about-hydrates/hydrateResearch.htm
http//www.du.edu/jcalvert/

• 1810-11 Composition de lhydrate de chlore
  établie par Davy (Faraday ,1823).
• Composé solide de chlore et deau, stable au
  dessus de 0C à la pression atmosphérique.
• 1892 hydrate de CO2 (12.2 Atm à 0C)
• 1930s Bouchage de pipe-lines de gaz naturel.
• Modèles thermodynamiques et mise au points
  dadditifs
• 1960s Observation dhydrates de gaz naturel en
  Sibérie et en Alaska, sous le permafrost.
• 1970s Observation des hydrates dans les
  sédiments marins
• Géophysique (BSR) et forages (DSDP Leg 11 sur
  Blake Ridge, 1970)
• 1974 Premier échantillonnage (Mer Noire)
• 1980s Ressource potentielle (e.g. Kvenvolden,
  1988)
• 1990s Stabilité des pentes continentales
  (Paull, 1996)
• 2000s Rôle dans les changements climatiques
•  hydrate gun hypothesis  (Kenneth et al., 2002)

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Structure des Hydrates de gaz

• Correspond à un type de substance appelé
  clathrate (Powell, 1948)
• Glace de structure alvéolaire piégeant des
  molécules neutres apolaires ou faiblement
  polaires.
• Stabilisation du squelette par les forces de Van
  der Waals

Cl2, H2S, CO2,CH4 ... propane (C3H8) Modèle de
stucture Clausen, 1951 Diffraction X Müller,
1951 C2H6 ( CH4) ... pentane ...Cyclohexane,
méthyl-cyclohexane
http//www.du.edu/jcalvert/
http//www.ifm-geomar.de/
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Conditions de stabilité
http//www.gashydat.org/

• Sous le permafrost

• Dans locéan profond

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BSR Bottom Simulating Reflector

• Réflecteur suivant le fond à 0.1-0.5 s
• Recoupe les réflecteurs sédimentaires
• Polarité négative (diminution de limpédance
  r.Vp)
• gt Interprété comme linterface sédiment avec
  hydrate / sédiment avec gaz)

http//www.pgc.nrcan.gc.ca/marine/gas_hydrates/mor
e_e.htm
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Utilisation du BSR comme indicateur de flux de
chaleur

• P généralement hydrostatique au niveau du BSR
• T au BSR correspond ( 1C, sauf cas
  particuliers) aux conditions de dissociation des
  hydrates dans leau de mer (équilibre HLG)
  (Hyndman et al., 1992)
• Vp moyenne dans les sédiments au dessus du BSR
  1.70.1 km/s
• Conductivité thermique moyenne 1.20.2 W/m/K
• Calibration possible par sondes de flux de
  chaleur et mesures en forage

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Influence du sédiment sur les conditions P,T de
stabilité de lhydrate Faible

• Modèle capilaire (Clennell et al., 1999 Henry et
  al., 1999)
• Effet maximal à léquilibre 2C dans les argiles
  peu consolidés
• Coexistence possible LGH sur plusieurs dixaines
  de mètres
• Inhibition de nucléation possible dans les
  argiles

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Sismique 3D gt carte de flux de chaleur (Martin
et al., 2004)

• Prisme daccrétion de Nankai
• Campagne SFJ

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Sismique 3D NankaiSFJ(Martin et al., 2004)

• Distribution du flux de chaleur influencée par
• Erosion
• Glissements de terrain
• Canyons
• Sédimentation
• bassins de pente

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Répartition mondialeet estimations

• Offshore
• 10 000 Gt C, 20 1015 m3 (Kvenvolden, 1988)
• 500-2500 Gt C, 1-5 1015 m3 (Soloviev, 2002
  Milkov, 2004)
• 10-30 des zones dépaisseur sédimentaire gt2 km
  (3-10 106 km2)
• 200 m dépaisseur de sédiment contenant 1.6
  dhydrate.
• Forages sur Blake Ridge (Leg 164)
• Quantité dhydrate
• 700-1500 m3 de gaz /m2
• équivalent à 4-9 m dhydrate pur
• Extrapolation globale
• 1000-7500 Gt C, 2-15 1015 m3
• Gaz présent sous le BSR
• 2700 m3 de gaz /m2 (HG)
• Onshore
• gt1 Gt C, 2 1012 m3

Site web USGS (Keith Kvenvolden)
1013 m3 méthane 5 1015 g carbone 1015 g 1
Gt 1 m3 hydrate 164 m3 gaz CNTP
11
Les hydrates comme réservoirde carbone

• Combustibles fossiles
• Charbon 4000 Gt C
• Gaz naturel 500 Gt C
• Pétrole 500 Gt C

Carbone organique et CO2 http//ethomas.web.wesley
an.edu/ees123/clathrate.htm
Carbone organique Kvenvolden (1988)
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Importance des hydrates de gaz naturel

• Ressources de gaz naturel
• Sédiments marins
• souvent argileux
• souvent faible saturation en hydrates
• colonnes de gaz piégés sous les BSR
• Permafrost
• perméabilité plus forte
• accumulations parfois importantes de gaz
• essais dexploitation (Mallik dans larctique
  canadien)

• Role dans les changements climatiques et risques
• Dissociation par
• réchauffement
• baisse du niveau marin
• Augmentation de la pression interstitielle
• Influence sur la stabilité des pentes
  continentales
• Impact direct du méthane comme gaz à effet de
  serre
• hypothèse  hydrate gun  (Kenneth)
• temps de résidence court (oxydation en CO2)
• Augmentation du CO2

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Influence sur les climats passés

• Symptômes dune libération massive de méthane
• Diminution globale du d13C
• Augmentation globale de température -gt
  rétroaction
• Anoxie -gt sédimentation de la matière organique
  -gt rétroaction -
• Limite Paleocène-Eocène à 55 Ma (Dickens et al.,
  1997)
• Augmentation de la température de leau profonde
  de 4-6 C (et des eaux de surface tempérées)
  pendant quelques 1000 ans (d18O forams).
• Excursion globale du d13C (-2.5)
• Relation avec la subduction des marges
  thétisiennes ?
• Evènement anoxique Jurassique (Hesselbo et al.,
  2000)
• Toarcien (183 Ma), extinction de 80 des bivalves
  marins
• Taux exceptionnels denfouissement de carbone
  organique
• Diminution du d13C de la matière organique (bois)
• Rôle possible dans les extinctions permiennes
  (Matsumoto, 1995)

http//ethomas.web.wesleyan.edu/ees123/clathrate.h
tm
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BSRcaractérisationgéophysique -1
http//www.pgc.nrcan.gc.ca/marine/gas_hydrates/mor
e_e.htm

• Amplitude Versus Offset (Andreassen et al., 1995
  Yuan et al., 1999)
• la présence dhydrate augmente la vitesse des
  ondes P et S
• la présence de gaz diminue la vitesse des ondes P
  seulement

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BSRcaractérisationgéophysique - 2
http//www.pgc.nrcan.gc.ca/marine/gas_hydrates/mor
e_e.htm

• Amplitude Versus Offset (Andreassen et al., 1995
  Yuan et al., 1999)
• La présence de gaz peut, dans certains cas être
  établie par cette méthode

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BSRcaractérisationgéophysique - 3
http//www.pgc.nrcan.gc.ca/marine/gas_hydrates/mor
e_e.htm

• Dépendance en fréquence de la réflectivité
• gt épaisseur de la zone de transition hydrate/gaz
  (6-10 m)
• Inversion de forme donde (Singh and Minshull,
  1994 Yuan et al., 1999)
• gt présence dune zone de faible vitesse sous le
  BSR (gaz)
• gt 20 dhydrates dans les pores

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Forages - Leg ODP 164 (Blake Ridge)
Hydrate
Hydrate
Hydrate
?
Gaz
Gaz
Gaz

• Hydrates occupent 3-6 du volume des pores en
  moyenne (localement, 20 )
• Réflectivité due au gaz présent sous le BSR
• Flux ascendant de CH4 croissant de 994 vers 997
  (Xu et Ruppel, 1999)
• Site 995 hors équilibre

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Nankai exemple daccumulation locale
dhydrate(Nouzé et al., 2004)

• Sédimentation turbiditique
• Anomalie damplitude au dessus du BSR
• Analyse AVO saturation élevée en hydrate (50
  du volume des pores)
• Représentativité des sites étudiés
• Nankai et Cascades (turbidites sableuses) 20 à
  50 de saturation
• Blake Ridge (argile) 3-6

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Formation des dépots dhydrate - 1
http//www.zymaxisotope.com/fugitivemethane.asp

• Gaz le plus souvent biogénique
• Biogénique activité des archae-bactéries T lt
  100C
• Thermogénique craquage de la matière organique
  (primaire) T gt 100C ou du pétrole (secondaire) T
  gt 200C
• (Prinzhoffer and Battani, 2003
  http//www.ifp.fr/)
• Gaz thermogénique toujours produit en dehors du
  domaine de stabilité des hydrates

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Formation des dépots dhydrate - 2

• Modes daccumulation
• 1) Génération (biogénique) in situ
• 2) Migration en solution
• 3) Migration en phase gazeuse
• Le recyclage du méthane libéré à la base du
  domaine de stabilité et le flux ascendant
  dorigine plus profonde sont difficiles à
  distinguer (e.g. Davie et Buffet, 1990)
• Génération in situ et migration en solution.
• Distribution des hydrates dans le sédiment
  prédite par des modèles dadvection diffusion à
  léquilibre.
• Migration en phase gazeuse
• Distribution hétérogène, système hors équilibre,
  accumulation le long des chemins de migration.
• La formation de gisements exploitables sans
  migration de gaz libre est improbable

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Advection de méthane dissous

• Taux daccumulation
• q (jU x Dc) / Z
• Epaisseur équivalente dhydrate pur
• e jU x Dc x Vh x t
• Paramètres pour Blake Ridge
• Vh 135 10-6 m3/mol
• j 50-60
• U 0.2 mm/yr
• Dc 0.12 mol/l
• t 3 Myr
• gt e 6 m

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Formation dhydrate à partir du méthane
dissous(Xu and Ruppel, 1999)
23
Flux ascendant deau à Blake Ridge(Hesse et al.,
2000)
24
Modèle complet dadvection-diffusion en phase
liquide
25
Accumulation sur les marges actives (U 1
mm/an, t gt 10 Ma)
26
Migration de gaz au travers du domainede
stabilité
27
Critère de ségrégationde lhydrate ou du
gaz(Clennell et al., 1999)
28
Conditions de migration du gaz  libre 
29
Effets capillaires forme de lhydrate et modes
de migration du gaz
30
Colonnede gaz critique(H)

• équilibre hydrostatique
• Pgaz - Phydro (BSR) g(reau-rgaz)H
  Pcapilaire
• seuil de fracturation
• Pgaz - Phydro (BSR) lt
• s3 - Phydro
• K0(rsédiment-reau)gz(BSR)
• HK0(rsédiment-reau)/(reau-rgaz)z-Pcapilaire/g(re
  au-rgaz)

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Etudes par forages

• ODP/IODP Forages sur la marge des Cascades
• ODP Leg 204 Hydrate ridge, (Juillet-Aout 2002)
• Système à fort débit migration de gaz au travers
  du champs de stabilité des hydrates et libération
  de bulles de gaz au fond de la mer
• Activité épisodique au cours du dernier cycle
  glaciaire (Tiechert et al., 2003)
• IODP Expedition 311 Cascadia Margin Hydrates
• Tester le modèle daccumulation des hydrates au
  dessus dun prisme daccrétion, quantifier les
  flux.
• Observatoire instrumentation long terme des
  puits
• Evaluation des possibilités dexploitation
• Offshore Japon (MITI-JNOC)
• Zone Est Nankai (Utilisation du
  Joides-Résolution)
• Onshore Arctique canadien (Japon, Canada, US)
• Mallik (McKenzie Delta) tests de production

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Production de gaz à partir dhydrates - 1(thèse
O. Bonnefoy, EMSE)

• Chaleur latentes
• Dissociation, L 3.9 108 J
• 1 m3 Hydrate -gt 0.8 m3 Eau (L) 164 m3 Méthane
  gaz (CNTP)
• Dissociation et formation de glace, L 0 J
  (adiabatique)
• 1 m3 Hydrate 0.3634 m3 Eau (L) -gt 1.258 m3
  Glace 164 m3 Gaz
• Combustion des 164 m3 de gaz, L 60 108 J
• Champs de gaz classiques 2 à 20 109 m3/an
• Champ de Messoyakah champ classique avec
  hydrates dans la couverture. Contribution des
  hydrates 6 106 m3/an
• Calculs dordre de grandeur pour le champ Mallik
• 10 km2
• couche exploitable de 24 m dhydrate
• porosité 30
• saturation initiale en hydrate 64
• exploitation en 30 ans 2.5 108 m3/an (290 MW)

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Production de gaz à partir dhydrates - 2(thèse
O. Bonnefoy, EMSE)

• Dépressurisation sans formation de glace
• Débit limité par le flux géothermique 107 m3/an
  pour 10 km2 et 55 mW/m2
• Dépressurisation avec formation de glace
• Débit limité par la perméabilité de la glace
  formée au contact des hydrates
• Phénomène de préservation anormale observé en
  laboratoire.
• Injection deau chaude
• Energétiquement rentable
• Cas dexploitation du champ Mallik en 30 ans 10
  à 20 MW à apporter soit 0.04 à 0.08 m3/s deau à
  60C , pour une production de gaz 8 m3/s
• Test dinjection récent effectué avec des débits
  10 fois plus faibles.
• La perméabilité et la conductivité thermique du
  sédiment hydraté sont des paramètres inconnus
  essentiels
• Projet epérimental ForDiMHyS à lEcole des Mines
  de St Etienne, sponsorisé par GdF, Total, IFP.
• Modèle en cours de développement.

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Réacteurs tubulaires
O. Bonnefoy, EMSE
35
Protocole et résultats
Etonnant, non ?
Hétérogène ?
O. Bonnefoy, EMSE
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Synthèse des cristaux de glace
Refroidissement du mélange éthanol eau. La
fraction de glace formée dépend de la composition
initiale du mélange et de la température imposée.
Elle varie entre 0 et 100. Cristallisation au
repos ? homogène.
O. Bonnefoy, EMSE
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Résultats
k k010-3.62S0.39
?
200 µm 3 mm
Perméabilité relative m²
?
k k010-2.99S-1.43
Saturation en glace
O. Bonnefoy, EMSE
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Stabilité de pente, gaz et hydrates

• Condition de glissement pour un matériau de
  Coulomb poreux
• t m (sn - Pfluide), m coefficient de friction
  (sable 0.6, smectite 0.1)
• Stabilité de pente est fonction de la pression
  interstitielle
• Glissement sur une pente régulière a
• Pfluide lt rgz (cosa - sina/m)

• Pression effective
• Pe szz - Pfluide
• Augmentation de volume au cours de la
  dissociation des hydrates
• gt Augmentation de pression interstitielle
• Modification par le gaz de la réponse au
  déchargement
• dPfluide g dszz
• dPe (1-g) dszz
• sédiment peu consolidé saturé en eau g 1
• en présence de gaz g lt 1

http//www.ifm-geomar.de/
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Réponse à un changement instantané des conditions
P,T

• Baisse de 100 m du niveau marin

• Augmentation de température de 2C

CH4
0.170 mol/l
1.70 mol/l
40
Diffusion des anomalies de pression et de
température

• Pressure
• Perméabilité k 10-17 m2
• Compressibilité drainée a 10-7 Pa-1
• Viscosité m 10-3 Pa.s
• Diffusivité
• D k / (m a) 10-7 m2/s 3.15 m2/an
• distance caractéristique Z 200 m
• temps caractéristique t Z2/4D
• -gt t environ 3000 ans

• Temperature
• Conductivité K 1.2 W m-1 K-1
• Capacité calorifique rc 3.3 106 J m-3 K-1
• Diffusivité
• k K / (rc) 3.5 10-7 m2/s 10 m2/an
• distance caractéristique Z 200 m
• temps caractéristique t Z2/4D
• -gt t environ 1000 ans

Dans les sédiments argileux, les conséquences des
variations de température de leau et du niveau
marin ont des constantes de temps voisines
41
Glissement de Storegga8000 ans

• Explication retenue par lindustrie chargement
  dargiles interglaciaires par dépais dépots
  glaciaires
• Explication alternative conséquence du
  réchauffement à la fin de la glaciation

http//www.ormenlange.com/no/media_room/feature_st
ories/storegga_area.html
42
Glissement de Cape Fear14.5 - 29 ka

• Déstabilisation pendant une période de bas niveau
  marin (Paull et al., 1996)

43
Distribution temporelle des glissements(hemisphèr
e nord Maslin et al., 2004)

• En basse latitude pendant les périodes froides
  (Heinrich 2 à 5)
• anti-corrélation avec le méthane atmosphérique
• corrélation possible avec les baisses du niveau
  marin
• En haute latitude pendant la déglaciation
• influence possible sur le méthane atmosphérique
  et leffet de serre

44
Kennett et al. (2000)
45
Episodes de libération de méthane - 1

• Basin de Santa Barbara
• Foraminifères benthiques (Kennett et al., 2000)
• Biomarqueurs
• (Hinrichs et al., 2003)

• Emissions de méthane au fond de la mer pendant
  les périodes chaudes
• Influence sur latmosphère non démontrée

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Episodes de libération de méthane - 2

• Golfe de Papouasie
• Baisse du d13C des forams benthiques et
  pélagiques.
• Upwelling entrainant une augmentation du d18O
  (DeGaridel et al., 2004)

47
Episodes de libération de méthane - 3

• Mer de Marmara dissociation dhydrate à 11000
  ans BP, peu après la transition lacustre-marin
• Epaisseur dhydrate supposée 10 cm
• Températures deau de surface dérivées des
  alkénones (F. Rostek, L. Vidal)
• Présence dune anomalie de diploptérol (G. Menot)

48
Modèle global de réponse aux changements
climatiques

• Modèle régime permanent (Buffett et Archer, 2004)
• 3000 Gt C hydrate
• 1800 Gt C bulles de gaz
• Réponses à long terme
• très grande sensibilité en température
• 1.5C libère 50 du méthane
• 3C libère 85 (il ne reste que 720 Gt)
• grande sensibilité à la concentration en O2 et au
  flux sédimentaire de carbone
• faible sensibilité aux baisses du niveau marin,
  100 m libère 3
• Modèle cinétique (Archer et Buffet, 2005)
• temps caractéristique daccumulation 10 Ma
• 200 Gt C méthane libérés pendant la déglaciation
• Prédit une libération de 2000-4000 Gt en 1-100 ka
  en réponse à la libération anthropogénique de
  carbone (2000 Gt)

49
Conclusions

• Les hydrates de gaz sont une ressource
  potentielle.
• Les émissions de méthane sous-marin et la
  stabilité des pentes continentales sont
  influencées par le climat.
• Au cours des temps géologiques le climat a
  certainement été influencé par la formation et la
  dissociation dhydrate de gaz. Cependant, le
  réservoir hydrate semble etre resté stable durant
  le Pléistocène, ou compensé par des variations de
  la matière organique terrestre (Maslin and
  Thomas, 2003).
• On nest pas sur que le revolver de Kennett a
  tiré mais il reste au moins une balle dans le
  chargeur et ce nest pas une balle à blanc.

50
Quest ce que jai oublié ?
51
Quest ce que jai oublié ?

• Oxydation du méthane dans le sédiment