Détection de fuites dans l’atmosphère comme outil pour les analyses des risques liés à la chambre de vapeur pour l’extraction du bitume et à l’intégrité des puits de pétrole

Promoteur principal :   l’Université St. Francis Xavier
Lieu :   Antigonish, Nouvelle-Écosse
Contribution de l’Initiative :   300 000 $
Total du projet :   539 000 $

Contexte du projet

Les gisements de sables bitumineux existent sous forme de bitume, qui, dans son état naturel, est trop visqueux pour s’écouler. Quand le bitume est trop profond (>80 m) pour qu’il soit économiquement extrait à ciel ouvert, de la vapeur est injectée pour le réchauffer, ce qui réduit sa viscosité et permet de la pomper dans des paires de puits horizontaux jusqu’à la surface. Plusieurs problèmes environnementaux associés à l’extraction des sables bitumineux peuvent survenir, notamment l’altération de la chair du poisson, les fuites et les déversements de pétrole. En 2013, une explosion qui a eu lieu à l’installation de Primrose de la Canadian Natural Resources Limited (CNRL), dans le nord de Alberta, a provoqué le déversement de plus de 26 000 barils de bitume injecté de vapeur qui se sont infiltrés dans la forêt boréale par des fissures dans le sol de plus de 159 m de longueur, ce qui a mis en péril les eaux souterraines. Cet incident a attiré l’attention sur le lien existant entre l’intégrité du puits et la présence de fractures dans la roche couverture située au-dessus du réservoir.  La présence de gaz de formation à la surface est le premier indicateur que l’intégrité du puits est menacée, puisque les gaz de formation sont de loin moins visqueux que le bitume et qu’ils circulent de préférence dans les fractures et les zones de rupture des puits de forage.  Si une méthode de mesure du gaz à la surface suffisamment sensible était utilisée régulièrement pour exécuter les levés du site, elle pourrait détecter les problèmes d’intégrité du puits (et/ou de sursaturation de vapeur) bien avant que le bitume ou l’eau de la formation n’atteigne la surface.  À cette fin, l’Université St. Francis Xavier (StFX) a proposé le projet « Détection de fuites dans l’atmosphère comme outil pour les analyses des risques liés à la chambre de vapeur pour l’extraction du bitume et à l’intégrité des puits de pétrole » afin d’obtenir un financement de l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. Cette dernière a octroyé 300 k$ au projet afin de mettre au point une méthode de levé extrêmement sensible à large empreinte pour la détection de gaz à l’intention des producteurs de sables bitumineux

Résultats 

Deux chercheurs se tiennent debout à côté du véhicule Argo, à bord duquel a été installée la technologie de détection des fuites atmosphériques, dans un milieu humide gazonné à Christina Lake, en Alberta.

Deux chercheurs se tiennent debout à côté du véhicule Argo, à bord duquel a été installée la technologie de détection des fuites atmosphériques, dans un milieu humide gazonné à Christina Lake, en Alberta.

  • Version texte

    La technologie mobile de détection des fuites mise au point par l’Université St. Francis Xavier a été adaptée pour ce projet. La technologie comprend la mesure des concentrations de plusieurs principaux gaz à proximité de la surface du sol et l’application d’algorithmes computationnels qui compensent l’ampleur et la variabilité des gaz de fond pouvant exister à l’état naturel dans la région et ce, avant de comparer l’empreinte des gaz à celles des sources de fuites possibles. Les instruments sont installés sur un véhicule. Pour ce projet, la technologie a été adaptée afin de pouvoir l’installer sur de petits véhicules tels que les véhicules tout-terrain et les motoneiges. Il a été possible ainsi d’exécuter les levés sur les sites en l’absence de réseaux routiers denses.

La technologie mobile de détection des fuites de l’Université St. Francis Xavier est traditionnellement installée sur des véhicules pleine grandeur. Dans cette étude, elle a été adaptée afin de l’installer sur de petits véhicules tels que ce véhicule tout-terrain, ce qui nous a permis d’exécuter des levés sur des sites où n’existait aucun réseau routier dense. Les collaborateurs du projet de l’Université de Calgary et Alex Marshall, technicien en recherche de l’Université St. Francis Xavier, ont utilisé ce véhicule amphibie tout-terrain afin de recueillir des données sur les émissions liées aux migrations du gaz à Christina Lake, en Alberta.

La composition et la variabilité prévues des gaz naturels de fond dans la région des sables bitumineux de l’Ouest canadien ont été déterminées à l’aide de documents et de consultations avec les entreprises.  Les schémas normaux des gisements de pétrole des hydrocarbures C1-C4 (méthane, éthane, propane et butane) sont présents en grande partie ainsi que certains gaz associés, dans tous les panaches émis.  La composition des gaz souterrains associés aux fuites a également été déterminée. La correction de fond et d’autres algorithmes ont été optimisés et adaptés afin d’incorporer les concentrations de gaz de fond dans la partie inférieure de l’atmosphère qui sont uniques à chaque site de sables bitumineux. En outre, l’ensemble des capteurs utilisés pour la détection des fuites ainsi que d’autres instruments ont été reconfigurés.   

Des ordinateurs installés à l’intérieur de la cabine du camion fournissent des renseignements aux deux occupants du véhicule, par l’intermédiaire d’un équipement de surveillance installé à l’extérieur du véhicule.

Des ordinateurs installés à l’intérieur de la cabine du camion fournissent des renseignements aux deux occupants du véhicule, par l’intermédiaire d’un équipement de surveillance installé à l’extérieur du véhicule.

  • Version texte

    Le camion traverse les exploitations agricoles et les occupants exécutent activement les levés des gaz atmosphériques locaux. Durant la deuxième partie du projet, des campagnes ont été exécutées sur le terrain afin de vérifier la technologie de détection des fuites atmosphériques mise au point par l’Université St. Francis Xavier. Des levés ont été exécutés avec un camion de recherche muni de la technologie mobile de détection de fuites afin de cartographier les concentrations de plusieurs principaux gaz à proximité de la surface du sol. Des algorithmes computationnels ont été appliqués afin de compenser l’ampleur et la variabilité des gaz de fond pouvant être présents à l’état naturel dans la région et ce, avant de comparer l’empreinte des gaz à celles des sources de fuites possibles. L’avancement des technologies de la détection des fuites de gaz visant à mesurer les émissions fugitives et de recueillir des données sur celles-ci permettra de mieux informer les exploitants des sables bitumineux des problèmes possibles liés à l’intégrité des puits ou de la roche couverture, ce qui représente un avantage pour l’industrie canadienne et internationale.

Durant la deuxième moitié du projet, des campagnes ont été exécutées sur le terrain afin de vérifier notre technologie de détection de fuites dans l’atmosphère. Elles ont été effectuées sur des sites comme aux installations des sables bitumineux de Cenovus Energy, aux installations du captage et du stockage du carbone de Shell QUEST et à la Field Research Station de Containment and Monitoring Institute. Durant toutes les visites sur le terrain, nous avons inspecté en profondeur l’équipement et enregistré les panaches d’émission, et nous avons déterminé la plupart des sources probables d’émissions des panaches au moyen de données géochimiques et géospatiales. Nous avons également enregistré les concentrations atmosphériques ambiantes de fond du méthane, du sulfure d’hydrogène et d’autres gaz. Nous avons, dans certains cas, ré-exécuté les levés afin d’améliorer l’exactitude. Dans l’ensemble, les émissions fugitives ont été très bien gérées aux sites de drainage par gravité au moyen de vapeur (DGMV) des sables bitumineux, mais lorsqu’elles étaient présentes, il était plus facile de les détecter que ce que nous avions prévu même dans les environnements de tourbières à forte teneur de méthane. Dans les sites situés plus au sud où les injections de CO2 ont eu lieu, on entendait de façon très perceptible le bruit du CO2 et de fréquents panaches de combustion dans le paysage. Étant donné que les sources de combustion produisent également de fortes anomalies de CO2, nous avons élaboré une approche dans laquelle nous avons ajouté des gaz afin de pouvoir séparer géochimiquement ces sources et d’éviter ainsi les faux positifs.

Avantages pour le Canada

L’avancement des technologies de détection des fuites de gaz qui permettent de mesurer les émissions fugitives et de recueillir des données sur celles-ci informera mieux les exploitants des sables bitumineux des problèmes possibles liés à l’intégrité des puits ou de la roche couverture, ce qui représente un avantage pour l’industrie canadienne et internationale.

Prochaines étapes

En février 2017, l’Université St. Francis Xavier a signé une entente de collaboration technologique avec Altus Group pour l’obtention des droits exclusifs de commercialisation à l’échelle mondiale de la technologie de détection des fuites de gaz sur véhicule baptisée « EXACT » (Emissions Attribution via Computational Techniques). La technologie ExACT sera davantage développée et pourra évaluer les volumes. Elle sera équipée de caméras infrarouge à image thermique FLIR et miniaturisée afin de l’installer sur des véhicules aériens sans pilote. 

Pour en apprendre davantage