Pétrole et gaz

Hydrate de méthane



La plus grande ressource de gaz naturel au monde est piégée sous le pergélisol et les sédiments océaniques.


Hydrate de méthane: Sur la gauche, un modèle boule-et-bâton d'hydrate de méthane montrant la molécule centrale de méthane entourée d'une "cage" de molécules d'eau. D'autres molécules d'hydrocarbures comme le pentane et l'éthane peuvent occuper la position centrale dans cette structure. (Image du Département américain de l'énergie). À droite, un spécimen brûlant de glace d'hydrate de méthane (image de la United States Geological Survey).

Hydrate de méthane "ciment" dans un conglomérat?: Cette photo montre un échantillon de carotte de la zone d'hydrate de méthane dans le puits d'essai de Mallik. Ce puits pénètre dans les gisements de pergélisol dans la région canadienne du delta du Mackenzie. Cette partie du cœur présente des graviers cimentés en un «conglomérat» par de la glace d'hydrate de méthane. Cliquez pour agrandir l'image.

Le «changeur de jeu» Next Energy?

Alors que le gaz naturel de schiste devient un «changeur de jeu» énergétique mondial, les chercheurs du pétrole et du gaz travaillent à développer de nouvelles technologies pour produire du gaz naturel à partir de gisements d'hydrate de méthane. Cette recherche est importante parce que les gisements d'hydrate de méthane sont considérés comme une ressource d'hydrocarbures plus importante que toutes les ressources mondiales de pétrole, de gaz naturel et de charbon réunies. 1 Si ces gisements peuvent être développés efficacement et économiquement, l'hydrate de méthane pourrait devenir le prochain changeur de jeu énergétique.

D'énormes quantités d'hydrate de méthane ont été trouvées sous le pergélisol arctique, sous la glace antarctique et dans les dépôts sédimentaires le long des marges continentales du monde entier. Dans certaines parties du monde, ils sont beaucoup plus proches des zones à forte population que tout champ de gaz naturel. Ces gisements proches pourraient permettre aux pays qui importent actuellement du gaz naturel de devenir autosuffisants. Le défi actuel consiste à inventorier cette ressource et à trouver des moyens sûrs et économiques de la développer.

Tableau de stabilité de l'hydrate de méthane: Ce diagramme de phases montre la profondeur (pression) de l'eau sur l'axe vertical et la température sur l'axe horizontal. Les lignes pointillées séparent les champs de stabilité de l'eau, de la glace d'eau, du gaz et de l'hydrate de gaz. La ligne intitulée «transition hydrate-gaz» est importante. Les conditions pour la formation d'hydrate de méthane se produisent en dessous de cette ligne. Au-dessus de cette ligne, l'hydrate de méthane ne se formera pas. La ligne rouge trace une géothermie (le changement de température avec la profondeur à un endroit spécifique). Notez comment, à mesure que la profondeur augmente, la géothermie traverse la ligne de transition hydrate-gaz. Cela signifie que l'hydrate de gaz dans les sédiments recouvre généralement le gaz libre. Graphique modifié après NOAA. 4

Qu'est-ce que l'hydrate de méthane?

L'hydrate de méthane est un solide cristallin qui consiste en une molécule de méthane entourée d'une cage de molécules d'eau imbriquées (voir l'image en haut de cette page). L'hydrate de méthane est une «glace» qui se produit uniquement naturellement dans les dépôts souterrains où les conditions de température et de pression sont favorables à sa formation. Ces conditions sont illustrées dans le diagramme de phase sur cette page.

Si la glace est retirée de cet environnement de température / pression, elle devient instable. Pour cette raison, les gisements d'hydrate de méthane sont difficiles à étudier. Ils ne peuvent pas être forés et carottés pour l'étude comme les autres matériaux souterrains car à mesure qu'ils sont amenés à la surface, la pression est réduite et la température augmente. Cela provoque la fonte de la glace et la fuite du méthane.

Plusieurs autres noms sont couramment utilisés pour l'hydrate de méthane. Ceux-ci comprennent: le clathrate de méthane, l'hydrométhane, la glace de méthane, la glace de feu, l'hydrate de gaz naturel et l'hydrate de gaz. La plupart des gisements d'hydrates de méthane contiennent également de petites quantités d'autres hydrates d'hydrocarbures. Ceux-ci incluent l'hydrate de propane et l'hydrate d'éthane.

Carte d'hydrate de méthane: Cette carte est une version généralisée des emplacements de la base de données de l'USGS sur l'inventaire mondial des hydrates de gaz naturel. 2

Carte des hydrates de gaz: L'un des gisements d'hydrates de gaz les plus étudiés est Blake Ridge, au large de la Caroline du Nord et de la Caroline du Sud. Les défis de la production de méthane à partir de ce gisement sont la forte teneur en argile et la faible concentration en méthane. 3 Cette carte est un exemple de la proximité des gisements de marge continentale avec les marchés potentiels du gaz naturel. Image de la NOAA. 4

USGS Gas Hydrates Lab: Cette vidéo vous emmène en visite au laboratoire des hydrates de gaz de l'USGS où les chercheurs mènent des expériences sur des échantillons d'hydrates de gaz prélevés dans les zones polaires et continentales. Ils créent également des hydrates de gaz synthétiques et mènent des expériences pour déterminer leurs propriétés chimiques et physiques.

Où sont les dépôts d'hydrate de méthane?

Quatre environnements terrestres ont les conditions de température et de pression appropriées pour la formation et la stabilité de l'hydrate de méthane. Ce sont: 1) les sédiments et les roches sédimentaires sous le pergélisol arctique; 2) dépôts sédimentaires le long des marges continentales; 3) sédiments d'eau profonde des lacs et des mers intérieures; et 4) sous la glace antarctique. 10. À l'exception des dépôts antarctiques, les accumulations d'hydrate de méthane ne sont pas très profondes sous la surface de la Terre. Dans la plupart des situations, l'hydrate de méthane se trouve à quelques centaines de mètres de la surface des sédiments.

Modèles de dépôt d'hydrate de méthane: Modèles de dépôt pour les gisements d'hydrate de méthane aux marges continentales et sous le pergélisol. 7

Dans ces environnements, l'hydrate de méthane se trouve dans les sédiments sous forme de couches, de nodules et de ciments intergranulaires. Les dépôts sont souvent si denses et persistants latéralement qu'ils créent une couche imperméable qui emprisonne le gaz naturel en remontant par le bas.

En 2008, le United States Geological Survey a estimé la ressource totale d'hydrate de gaz non découverte pour la région du versant nord de l'Alaska. Ils estiment que la ressource totale de gaz naturel non découverte sous forme d'hydrate de gaz se situe entre 25,2 et 157,8 billions de pieds cubes. Étant donné que très peu de puits ont été forés à travers les accumulations d'hydrates de gaz, les estimations présentent un niveau d'incertitude très élevé. 5

USGS Gas Hydrates Lab: Cette vidéo vous emmène en visite au laboratoire des hydrates de gaz de l'USGS où les chercheurs mènent des expériences sur des échantillons d'hydrates de gaz prélevés dans les zones polaires et continentales. Ils créent également des hydrates de gaz synthétiques et mènent des expériences pour déterminer leurs propriétés chimiques et physiques.

Bien s'hydrater: Le gaz Ignik Sikumi # 1 s'hydrate bien sur le versant nord de l'Alaska. Une évaluation des ressources en hydrates de gaz de l'USGS a déterminé que le versant nord possède une importante ressource d'hydrates de gaz piégée sous le pergélisol. Photo du ministère de l'Énergie.

Ignik Sikumi: Cette vidéo vous fait visiter l'essai sur le terrain des hydrates de gaz d'Ignik Sikumi, un puits sur le versant nord de l'Alaska qui a produit du gaz naturel à partir d'hydrates de gaz sous le pergélisol. Le résultat obtenu ici a été de libérer le méthane en le remplaçant par du dioxyde de carbone - sans faire fondre l'hydrate de gaz.

Où l'hydrate de méthane est-il produit aujourd'hui?

À ce jour, il n'y a pas eu de production commerciale à grande échelle de méthane à partir de gisements d'hydrates de gaz. Toute la production a été à petite échelle ou expérimentale.

Début 2012, un projet conjoint entre les États-Unis et le Japon a produit un flux constant de méthane en injectant du dioxyde de carbone dans l'accumulation d'hydrate de méthane. Le dioxyde de carbone a remplacé le méthane dans la structure hydratée et a libéré le méthane pour qu'il coule à la surface. Ce test a été significatif car il a permis la production de méthane sans les instabilités liées à la fusion d'un hydrate de gaz. 6

Les gisements d'hydrates de méthane les plus susceptibles d'être sélectionnés pour le premier développement auront les caractéristiques suivantes: 1) des concentrations élevées d'hydrates; 2) roches réservoirs à haute perméabilité; et 3) les emplacements où il existe une infrastructure existante. 7 Les dépôts répondant à ces caractéristiques seront probablement situés sur le versant nord de l'Alaska ou dans le nord de la Russie.

Ignik Sikumi: Cette vidéo vous fait visiter l'essai sur le terrain des hydrates de gaz d'Ignik Sikumi, un puits sur le versant nord de l'Alaska qui a produit du gaz naturel à partir d'hydrates de gaz sous le pergélisol. Le résultat obtenu ici a été de libérer le méthane en le remplaçant par du dioxyde de carbone - sans faire fondre l'hydrate de gaz.

Fusion d'hydrate de gaz: Lorsque des puits de pétrole sont forés à travers des sédiments contenant des hydrates, la température chaude du pétrole remontant à travers la zone d'hydrate gelée peut provoquer une fusion. Cela peut entraîner une défaillance du puits. Des pipelines chauds passant sur des affleurements d'hydrates gelés constituent également un danger. Image 8 USGS.

Risques d'hydrate de méthane

Les hydrates de méthane sont des sédiments sensibles. Ils peuvent rapidement se dissocier avec une augmentation de la température ou une diminution de la pression. Cette dissociation produit du méthane et de l'eau libres. La conversion d'un sédiment solide en liquides et gaz entraînera une perte de support et de résistance au cisaillement. Ceux-ci peuvent provoquer un effondrement des sous-marins, des glissements de terrain ou des affaissements qui peuvent endommager l'équipement de production et les pipelines. 7

Le méthane est un puissant gaz à effet de serre. Des températures plus élevées dans l'Arctique pourraient entraîner une fusion progressive des hydrates de gaz sous le pergélisol. Le réchauffement des océans pourrait provoquer une fusion progressive des hydrates de gaz près de l'interface sédiment-eau. Bien que de nombreux reportages aient présenté cela comme une catastrophe potentielle, la recherche de l'USGS a déterminé que les hydrates de gaz contribuent actuellement au méthane atmosphérique total et qu'il est peu probable qu'une fusion catastrophique des dépôts d'hydrates instables envoie de grandes quantités de méthane dans l'atmosphère. 9

Le saviez-vous? L'hydrate de méthane a une très forte concentration de méthane. Si vous faites fondre un bloc d'un mètre cube d'hydrate de méthane, environ 160 mètres cubes de méthane gazeux seront libérés.
Références d'hydrate de méthane
1 USGS Gas Hydrates Lab: Stephen Wessells, Laura Stern, Steve Kirby; États-Unis Geological Survey Multimedia Gallery Video, 2012.
2 Un inventaire mondial de la présence d'hydrates de gaz naturel: Keith A. Kvenvolden et Thomas D. Lorenson, Pacific Coastal & Marine Science Center, United States Geological Survey.
3 Hydrates de gaz naturel: un examen: Timothy S. Collett, Arthur H. Johnson, Camelia C. Knapp, Ray Boswell; Hydrates de gaz naturel - Potentiel de ressources énergétiques et risques géologiques associés: Mémoire AAPG 89, p. 146-219, 2009.
4 Le gaz s'hydrate au large du sud-est des États-Unis: Carolyn Ruppel, Georgia Institute of Technology, site Web NOAA Ocean Explorer, consulté pour la dernière fois en novembre 2016.
5 Évaluation des ressources en hydrates de gaz sur le versant nord, Alaska, 2008: United States Geological Survey, Fiche d'information 2008-3073, octobre 2008.
6 Les États-Unis et le Japon terminent avec succès l'essai sur le terrain des technologies de production d'hydrate de méthane: Communiqué de presse du Département de l'énergie des États-Unis, 2 mai 2012.
7 Potentiel de ressources énergétiques de l'hydrate de méthane: Une introduction au potentiel scientifique et énergétique d'une ressource unique; publication du National Energy Technology Laboratory, United States Department of Energy, février 2011.
8 Résultats des propriétés thermiques en phase pure: sI méthane hydraté: Woods Hole Science Center, United States Geological Survey, 2007.
9 Hydrates de gaz et réchauffement climatique - Pourquoi une catastrophe au méthane est peu probable: Carolyn Ruppel et Diane Noserale, United States Geological Survey, Sound Waves Newsletter, mai / juin 2012.
10 Une étude suggère de grands réservoirs de méthane sous la calotte glaciaire de l'Antarctique: Tim Stephens, communiqué de presse, Université de Californie à Santa Cruz, 29 août 2012.

Énorme potentiel

Bien que les accumulations d'hydrates de méthane soient situées dans des environnements difficiles et présentent de nombreux défis techniques, elles sont largement distribuées et constituent la plus grande source d'hydrocarbures sur Terre. Une variété de technologies pourrait être développée pour les produire en utilisant la réduction de pression, l'échange d'ions et d'autres processus qui tirent parti de leurs propriétés chimiques et physiques uniques. Les États-Unis, le Canada, le Japon et l'Inde ont tous des programmes de recherche vigoureux visant à découvrir des technologies viables pour la production d'hydrates de gaz. L'hydrate de méthane jouera probablement un rôle important dans notre futur mix énergétique.