La notion de fracturation hydroélectrique, fracturation électrohydraulique ou stimulation par arc électrique.. ou PAED) désigne, de manière générale, une famille de procédés techniques (variantes non pyrotechniques de la fracturation hydraulique parfois nommée fracking) visant à disloquer un matériau ou un objet au moyen d'une onde de pression portée par de l'eau ou un fluide incompressible.
La fracturation du matériau résulte de l'effet de la traversée du substrat ou du matériau par une « onde de pression » générée par une explosion produite dans l'eau. Dans le cas présent, cette explosion est dite « explosion électrique » ou « explosion vapeur ». Cette explosion est induite par une puissante décharge électrique.
L'onde peut être générée à proximité du matériau à détruire ou à fragmenter.
Elle peut aussi être produite dans une cavité à l'intérieur de ce matériau, après qu'on y ait introduit deux électrodes immergées dans de l'eau et mises sous très haute tension.
L'effet destructif peut être renforcé par une répétition de l'explosion. Un « train d'ondes de pression » disloque alors plus efficacement la roche ou divers matériaux durs (ex : du calcul biliaire à des téléphones portables).
Dans un contexte minier et pétrolier, cette décharge à haute tension génère dans la roche (préalablement forée et fracturée et saturée d'eau) une onde acoustique. Cette onde est capable de provoquer des micro-fissures dans la roche ou de la disloquer. Des ingénieurs évaluent la possibilité d'adapter cette variante de la fracturation hydraulique aux besoins des forages pétroliers ou gaziers profonds, pour mieux libérer les molécules de pétrole, de gaz ou les condensats de gaz fortement piégés adsorbés dans les matrices rocheuse dures et imperméables profondes (dont le gaz de schiste, de de profondeur).. Cette technique, encore immature pour cet usage, imposerait la présence d'un générateur et de condensateurs de forte puissance en surface au niveau du puits. Les impacts environnementaux d'explosion souterraines électriques profondes et répétées ne semblent pas avoir été étudiés ni modélisés.
Intérêts C'est une technologies qui permet de se passer d'explosifs chimiques et qui pourrait peut-être contribuer à préparer la démolition de matériaux contaminés, en les pré-disloquant, sans émission de poussière et d'éclats, éventuellement même sous l'eau (avec des risques pour les organismes aquatiques si on est dans le milieu naturel).
Elle a été envisagée par des membres de l'industrie pétrolière et gazière qui s'intéresse à l'exploitation de formations géologiques profondes et/ou peu perméablesPerméabilité inférieure ou égale à 0,1 md (microdarcy). Ils espèrent pouvoir maitriser la création de séries dirigées d'explosions électriques qui permettrait de désintégrer ou fissurer et micro-fissurer la roche, jusqu'à des profondeurs de dans le cas du gaz de schiste, et à partir de puits verticaux, inclinés ou horizontaux.
La fracturation électrohydraulique pourrait aussi intéresser la géothermie profonde.
Histoire du concept et de ses premières applications Selon l'entreprise Halliburton, l'un des leaders mondiaux de la fracturation hydraulique, l'idée de fracturer le sous-sol est dans le contexte pétrolier née du besoin de « stimuler » la productivité de certains forages qui se colmataient ou s'épuisaient rapidement alors qu'on savait que le gisement était encore important. Dès les années 1940, la fracturation sous haute pression hydraulique a ainsi été testée ; avec une première expérimentation en 1947 au Kansas par Halliburton pour le compte d'une compagnie pétrolière et gazièrePrésentation du Fracking, sur le site de Halliburton , consulté 2011/01/15. Quelques décennies plus tard, la fracturation s'avèrera indispensable au fonctionnement des puits de gaz de schiste dont le rendement chute sans cela généralement très rapidement.
Par ailleurs, dans les années 1960-90, alors que le génie électrique progressait (invention des champs électriques pulsés, des chocs électrodynamiques, étude de l'effet couronne, précipitation électrostatique, etc.) d'autres acteurs ou les mêmes testaient l'utilisation de champs électriques créés dans le sol ou sous-sol (à faible profondeur), ou encore dans de l'eau ou dans un fluide aqueux pour : drainer des polluants vers une cathode où on pourrait les récupérer plus facilement (via un champ électrique) ; le formage électrohydrauliqueJ.Y. Renaud (1980), Formabilité à grande vitesse de déformation, application aux techniques de formage électromagnétique et électrohydraulique, Thèse, Université de Nantes décaper électrostatiquement des peintures ; détruire des organismes vivants Richard H Wesley (1984), Organism destruction by electrohydraulic discharge within a pulsed magnetic field envelope: ; Environment International, Volume 10, Issue 4, 1984, page xxv (lien) préparer la destruction de structures en béton ou les détruire, là où l'usage de dynamite ou d'autres explosifs posait des problèmes de sécurité ou de demande d'autorisations spécialesM. Loeffler, H.A. Wieland, J. Neumann, et C. Dreesen (2001), “Electrical Wire Explosions as a Basis for Alternative Blasting Techniques ?”, presented of Intl Conf. on Pulsed Power Applications, Gelsenkirchen, Allemagne, mars 2001. ; assurer la destruction de roche sans dynamite, avec moins de poussière, d'éclats et de vibrationsRim, Geun-Hie Hie, Cho, Chu-Hyun H.; Lee, Hong-Sik Sik; Pavlov, Evgeny P. (1999), An electric-blast system for rock fragmentation ; Pulsed Powerin Pulsed Power Conference, 1999. Digest of Technical Papers. 12th IEEE International ; Conference publication, 165 - 168 vol.1 (résumé), consulté 2013-03-22 détruire, avec une petite électrode et un choc de moindre intensité des calculs rénaux ou biliairesYufeng Zhou, Jun Qin, Pei Zhong (2012), Characteristics of the Secondary Bubble Cluster Produced by an Electrohydraulic Shock Wave Lithotripter ; Ultrasound in Medicine & Biology, Volume 38, Issue 4, avril 2012, pages 601-610 (résumé)Arthur N. Tessler, Jeffrey Kossow (1975), « Electrohydraulic stone disintegration » ; Urology, Volume 5, Issue 4, avril 1975, pages 470-474 assister le forage de tunnels ; détruire certains déchetsTouya G. (2003), Contribution à l'étude expérimentale des décharges électriques dans l'eau et des ondes de pression associées, Réalisation d'un prototype industriel de 100kJ pour le traitement de déchets par puissances électriques pulsées, Thèse de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour dont déchets électriques et électroniquesDavid J. Hemmert, Vasiliy I. Smirnov, Rafiqul Awal, Shrutesh Lati et Amith Shetty (2010), Pulsed Power Generated Shockwaves in Liquids from Exploding Wires and Foils for Industrial Applications, compte rendu de session orale. ou des stocks de pesticides interdits tels que l'Atrazine N. Karpel Vel Leitner, G. Syoen, H. Romat, K. Urashima, J.-S. Chang (2005), « Generation of active entities by the pulsed arc electrohydraulic discharge system and application to removal of atrazine » ; Water Research Volume 39, Issue 19, novembre 2005, pages 4705–4714 (résumé);
L'idée a alors émergé qu'il serait peut-être possible de combiner l'explosion hydraulique à la fracturation hydraulique pour fracturer des sous-sols abritant du gaz ou du pétrole dissous dans la roche à grande profondeur, afin d'en extraire plus efficacement des hydrocarbures non conventionnels, gaz de schiste notamment.
Enjeux pour le secteur gaziers et pétroliers Alors que les gisements conventionnels s'épuisent, la recherche d'hydrocarbures non conventionnels en formations géologiques profondes (c'est-à-dire à 2,5 à 4 voire ) fait de plus en plus appel à la fracturation hydraulique et à divers moyens de stimulation de puits, car à cette profondeur le substrat est insuffisamment poreux pour permettre au gaz naturel et/ou au pétrole de s'écouler dans le substrat jusqu'au puits de forage à une vitesse permettant de rentabiliser le puits par la vente du gaz. C'est notamment le cas pour les schistes profondsNorth Keller Neighbors Together (NKT), Perméabilité et percolation dans les schistes (mesurée en microdarcy voire en nanodarcy) ; www.nknt.org (groupe de défense des intérêts de propriétaires détenteurs de droits miniers sur environ aux États-Unis). Fracturer des portions très importantes de couches de schiste est pour cette raison une condition nécessaire à l'extraction rentable du gaz qui y est piégé (en très faible quantité par mètre cube de schiste).
La « fracturation hydroélectrique » pourrait peut-être un jour permettre aux opérateurs de puits gaziers ou de pétrole qui utilisent aujourd'hui la fracturation hydraulique de mieux contrôler l'amplitude et la conformation tridimensionnelle des ondes de fracturation, tout en diminuant peut-être leur consommation d'eau et le risque de fuite d'une roche réservoir vers les roches voisines et/ou l'environnement ;
Ce contrôle se ferait : par la modulation l’intensité de l'énergie électrique injectée ; via le contrôle fin (par un moyen encore hypothétique) de la position des électrodes (dans les trois dimensions de l'espace) ; via le contrôle fin de la distance entre électrodesTouya G., Reess T., Pécastaing L., Gibert A., Domens P. (2006), « Development of subsonic electrical discharges in water and measurements of the associated pressure waves », Journal of Physics: Applied Physics, , peut-être au moyen de détecteurs acoustiques sophistiqués (capables de déconvolutionner en temps réel les signaux brouillés remontant du fond et déformés par les kilomètres de roche qu'il a traversé) pour localiser à partir de la surface la position précise du point de départ d'explosion électrique (et donc des électrodes), afin de guider des flux d'ondes de chocs chargés de disloquer ou fracturer la roche.
Cette possibilité de contrôle distant est encore hypothétique. Et selon la littérature disponible, cette méthode n'a encore jamais été testée à moyenne ni à grande profondeurs, et il n'existe pas à ce jour de capteurs ou servomoteurs fonctionnant à très grande profondeur en condition de haute pression et haute température (par exemple pour manipuler la distance interélectrode, ou vérifier l'état de ces électrodes).
État de l'art La recherche est encore dans ce domaine émergente.
Hormis quelques travaux théoriques, les seules expériences concrètes de « fracturation hydroélectrique » au service de forages gaziers ou pétroliers semblent contenues dans une thèse de doctorat en génie civil, soutenue en 2010 par Wen Chen, chercheur en génie civil. Cette thèse inclut un volet théorique, et un volet d'expérimentation en laboratoire. Elle a été accompagnée par le groupe Total qui exploite déjà par des méthodes de forages classiques des pétroles ou gaz situés à grande ou très grande profondeur, y compris en forage offshore.
Cette thèse a permis - en laboratoire et pour une partie des expériences - d'approcher deux des conditions du forage dit « profond », ) la pression (ici correspondant à une profondeur d'environ ) ; ) le caractère très « imperméables » des roches-réservoir que l'industrie pétrolière veut maintenant exploiter (0,1 microDarcy ou mD).