Traitement et réutilisation des eaux usées générées par la fracturation et l'extraction du pétrole

• 1) Qu'est-ce que la fracturation?
• 2. les risques environnementaux liés à l'extraction par fracturation hydraulique
• 3. Composition des eaux usées générées lors de la fracturation
• 4. Traitement des eaux usées résultant de la fracturation
• 5. Traitement des eaux usées de fracturation par flottation DAF
• 6. Réutilisation des eaux usées générées lors de la fracturation
• 7. Résumé

1) Qu'est-ce que la fracturation?

Le fracking, également connu sous le nom de fracturation hydraulique, est une méthode utilisée pour extraire des hydrocarbures des sols sédimentaires.

Les roches retiennent le méthane dans leurs pores en raison de leur faible perméabilité, ce qui permet la formation de poches de gaz et d'hydrocarbures. Pour les extraire, des centaines de puits sont forés, qui peuvent occuper de très grandes surfaces.

Lors de la fracturation, un mélange d'eau, de produits chimiques et de sable est injecté dans les formations rocheuses de schiste afin de libérer le pétrole et le gaz emprisonnés dans la roche. En remontant à la surface, ce mélange transporte non seulement les hydrocarbures, mais aussi l'eau initialement présente dans la formation et une grande partie des produits chimiques utilisés dans le processus.

Les eaux usées générées par ce processus sont normalement stockées dans des réservoirs ou des fosses avant d'être traitées et éliminées, ou réutilisées pour de futures opérations de fracturation.

2. les risques environnementaux liés à l'extraction par fracturation hydraulique

Le fracking comporte plusieurs risques pour l'environnement :

• Risques liés au forage. Lors des forages effectués pour construire les puits, il existe des risques d'explosions, de fuites de gaz et de sulfure d'hydrogène, voire de rupture des canalisations. Dans ce cas, les polluants libérés dans le sol seraient hautement toxiques. Il s'agit notamment de métaux lourds et même d'éléments radioactifs ( ).
• Contamination des aquifères. Environ 200 000 m3 d'eau sont utilisés dans un forage, puis des produits chimiques sont injectés, qui peuvent représenter jusqu'à 2 % de l'eau insérée (4 000 Tm). Ces charges polluantes importantes doivent être purifiées avant de rendre l'eau à la nature.
• Pollution atmosphérique. Certains des produits chimiques ajoutés à l'eau sont volatils et passent dans l'atmosphère. Lors de l'extraction des hydrocarbures, il existe un risque d'émission de méthane et de gaz nitreux dans l'atmosphère.
• Risque de mouvements sismiques. Des études ont montré que la fracturation augmente le risque de tremblement de terre, en particulier à proximité des lignes de faille.                                          
• Impact sur l'environnement et le paysage. L'espace nécessaire au forage est très important (environ 3 ^km2) et les puits fonctionnent en moyenne pendant 5 à 7 ans.

3. Composition des eaux usées générées lors de la fracturation

Dans un rapport de 2016 de l'EPA (EnvironmentalProtection Agency), plus de 1 600 produits chimiques ont été identifiés dans les eaux usées issues des forages de fracturation, dont près de 200 sont considérés comme cancérigènes ou toxiques pour la santé humaine. Le même rapport mettait en garde contre le fait que le fluide de fracturation hydraulique pouvait provoquer des fuites dans ces puits souterrains qui stockent des millions de litres de ces eaux usées.

La composition des eaux usées générées par l'extraction de pétrole et de gaz par fracturation peut varier en fonction de la géologie de la région, des produits chimiques utilisés dans le processus et de la qualité de l'eau utilisée. Les contaminants les plus courants sont les suivants:

• Des niveaux élevés de sels et de minéraux tels que le calcium, le magnésium et le sodium. Par conséquent, l'eau produite peut présenter des niveaux élevés de solides dissous totaux (TDS).
• Les hydrocarbures tels que le benzène, le toluène, l'éthylbenzène et le xylène (BTEX), qui sont toxiques et cancérigènes et peuvent s'infiltrer dans les eaux souterraines ou de surface, contaminant ainsi les sources d'eau potable.
• Des niveaux élevés de métaux lourds tels que l'arsenic, le cadmium, le chrome, le plomb et le mercure. Ces métaux sont toxiques et peuvent avoir de graves conséquences sur la santé humaine, telles que des lésions neurologiques, des lésions rénales et des cancers.
• Ils peuvent contenir des matières radioactives naturelles telles que le radium, l'uranium et le thorium, qui sont libérées des formations de schiste au cours du processus de fracturation.

Comme indiqué ci-dessus, la fracturation utilise divers produits chimiques tels que des surfactants, des biocides, des inhibiteurs de corrosion et des réducteurs de friction, qui peuvent également rester présents dans les eaux usées. Certains de ces produits chimiques sont toxiques et nuisent à la santé s'ils sont ingérés ou inhalés.

Chaque étape du processus de fracturation contribue par différents polluants à la formation de l'effluent final.

Types de réactifs	Application	Exemples réactifs
Surfactants / agents mouillants	Réduction de la tension superficielle des liquides, augmentation de la viscosité	Isopropanol
sel	Génère un fluide porteur de saumure	Chlorure de potassium
Gelato (gélifiant)	Amélioration du transport des propergols	Gomme de guar, Hydroxyméthylcellulose
Inhibiteur de calcaire	Prévention du dépôt de précipités peu solubles, antigel	Éthylène glycol
Régulateurs de pH	Maintient l'efficacité des autres composants	Carbonate de sodium ou de potassium
Freineur de chaîne (briseur)	Réduction de la viscosité des fluides contenant du gel, pour déposer le proppant	Persulfate d'ammonium
Réticulation	Maintien de la viscosité du fluide en cas d'augmentation de la température	Sels de bore
Contrôle des ions de fer	Prévention de la précipitation de l'oxyde de fer	Acide citrique
Inhibiteur de corrosion	Prévient la corrosion des tuyaux	N, n Diméthylformamide
Biocide/Bactéricide	Prévention de la croissance bactérienne, prévention de la bicouche, prévention de la formation de sulfure d'hydrogène par les bactéries sulfato-réductrices	Glutaraldéhyde
Acides	Nettoyage des pièces de forage et du ciment ; résolution des minéraux solubles dans l'acide	Acide chlorhydrique ou acide muriatique
Réducteur de friction (additifs)	La réduction de la friction entre les fluides permet de pomper le fluide de fracturation à des vitesses plus rapides et à des pressions plus basses.	Polyacrylamide, huile minérale
Anti-oxydant	Élimine l'oxygène pour protéger contre la corrosion	Bisulfate d'ammonium
Agents de soutien	Maintient les fractures ouvertes pour permettre au gaz de s'échapper	Silice, sable de quartz

En outre, des stabilisateurs haute température sont utilisés pour empêcher la rupture prématurée du gel, des mousses qui facilitent le transport des agents de soutènement et des solvants qui améliorent la solubilité des additifs et réduisent la corrosion du système. Des stabilisateurs d'argile sont également utilisés pour minimiser le gonflement et le déplacement.

4. Traitement des eaux usées résultant de la fracturation

Les eaux usées provenant de la fracturation sont difficiles à gérer. Leur traitement comporte plusieurs étapes au cours desquelles différentes technologies sont utilisées pour éliminer les polluants et ramener l'eau dans les limites de rejet.

Un processus qui s'est avéré très efficace pour le traitement de l'eau de fracturation est la combinaison de l'électrocoagulation, de l'oxydation chimique et de l'oxydation UV. Ce processus permet de décomposer les composés en formes qui peuvent être éliminées ultérieurement par des processus physiques, chimiques et biologiques.

Il s'agit des différentes étapes des processus typiques de traitement de ces rejets :

1. Neutralisation chimique et coagulation.
2. Séparateur d'huile libre / Précipitateur
3. Électrocoagulation
4. Coagulation/floculation secondaire
5. Flottation à l'air dissous
6. Traitement biologique et clarification/flottation
7. Oxydation UV avancée
8. Procédés de filtration multiples
9. Ultrafiltration

La combinaison des technologies et la conception de la station d'épuration varient en fonction d'aspects tels que la composition des eaux usées et les exigences réglementaires de la région.

Un processus standard pour le traitement des eaux usées générées par la fracturation est détaillé ci-dessous :

• Le dégrillage des eaux usées permet d'éliminer les débris et les gros solides susceptibles d'endommager les équipements auxiliaires. Un traitement chimique peut également être effectué à ce stade pour ajuster le pH ou éliminer des polluants spécifiques.
• La flottation à l'air dissous peut également être utilisée dans cette phase de prétraitement ou comme traitement primaire. Les systèmes DAF ont pour fonction d'éliminer les solides en suspension, les huiles et les graisses.
• Il existe d'autres procédés de séparation physique des solides et des liquides, tels que la décantation, la centrifugation ou la filtration.
• Le choix du traitement avancé le plus approprié dépend des objectifs fixés par le client et de la réglementation en vigueur sur le territoire où se déroule l'extraction de pétrole et/ou de gaz. Si l'on souhaite réutiliser l'eau ou récupérer les matières premières et les sous-produits présents dans les eaux usées, il convient d'utiliser des technologies telles que l'évaporation sous vide, la cristallisation, l'osmose inverse, la filtration sur membrane, l'adsorption sur charbon actif ou l'échange d'ions.
• D'autres procédés tels que la désinfection sont utilisés pour éliminer les micro-organismes qui pourraient subsister dans l'eau avant qu'elle ne soit rejetée ou réutilisée. Ce processus implique l'utilisation de produits chimiques ou d'autres méthodes telles que les UV ou l'ozone.

5. Traitement des eaux usées de fracturation par flottation à l'air dissous (DAF)

Les systèmes DAF sont utilisés pour séparer les solides en suspension, les huiles, les graisses et les lubrifiants, ainsi que certains métaux et hydrocarbures en suspension.

La flottation à l'air dissous (DAF) est un processus qui implique l'introduction de microbulles d'air dans les eaux usées, qui se fixent sur les solides en suspension et les font flotter à la surface pour les éliminer.

La technologie DAF est combinée à un processus physico-chimique qui consiste à ajouter un coagulant et un floculant aux eaux usées pour former des particules plus grosses qui peuvent être plus facilement séparées de l'eau. La technologie DAF est combinée à un processus physico-chimique qui consiste à ajouter un coagulant et un floculant aux eaux usées pour former des particules plus grosses qui peuvent être plus facilement séparées de l'eau.

Cependant, la flottation à l'air dissous (DAF) n'est pas suffisante pour éliminer tous les polluants présents dans les eaux usées provenant de la fracturation, de sorte que d'autres technologies sont nécessaires pour atteindre les valeurs limites imposées par la loi.

La sélection des procédés de post-traitement dépend des polluants spécifiques présents dans les eaux usées et des exigences réglementaires en matière de rejet ou de réutilisation de l'eau traitée.

Les options les plus courantes sont le traitement biologique suivi de technologies de filtration, telles que l'osmose inverse, ou d'autres technologies avancées, y compris les processus de concentration et d'évaporation.

6. Réutilisation des eaux usées générées lors de la fracturation

La réutilisation des eaux usées générées par la fracturation présente d'importants avantages, tels que

• Réduction de la consommation d'eau.
• Réduction des coûts d'acheminement des eaux usées vers un gestionnaire de déchets.
• Réduction de l'impact environnemental des opérations de fracturation.

Il est important de s'assurer que l'eau traitée répond aux exigences réglementaires en matière de réutilisation et qu'elle ne présente aucun risque pour la santé humaine ou l'environnement.

Schéma de principe du traitement des effluents de fracturation:

Les eaux usées générées par la fracturation peuvent être réutilisées dans différents domaines :

• Réutiliser l'eau traitée comme fluide de base dans une opération de fracturation ultérieure. L'eau recyclée est généralement traitée par sédimentation, filtration et désinfection afin d'éliminer les contaminants restants.
• L'irrigation des cultures et de la végétation en appliquant l'eau directement sur le sol ou en l'utilisant pour l'irrigation par aspersion. Cependant, il est important de s'assurer que les normes de qualité de l'eau d'irrigation sont respectées et qu'elle ne contient pas de contaminants susceptibles d'endommager les cultures ou le sol.
• L'eau traitée peut également être utilisée à des fins industrielles, comme eau de refroidissement pour les centrales électriques ou comme source d'eau de traitement pour les opérations de fabrication.
• Dans certains cas, les eaux usées générées par la fracturation peuvent être réutilisées pour recharger les aquifères souterrains. Pour ce faire, on injecte de l'eau traitée sous terre pour réalimenter les cours d'eau épuisés. Toutefois, cette utilisation nécessite une surveillance étroite afin de s'assurer que l'eau traitée ne contient pas de contaminants susceptibles d'endommager l'aquifère ou les sources d'eau souterraines voisines.

7. Conclusion

La dépendance continue à l'égard des combustibles fossiles pour répondre à la demande énergétique mondiale implique l'exploitation de gisements naturels qui ne permettent l'extraction de ces hydrocarbures que par des procédés tels que la fracturation hydraulique.

Le fracking est un procédé qui a un impact environnemental important, tant en termes de consommation d'eau que d'utilisation de réactifs complexes et agressifs injectés dans les roches.

SIGMADAF fournit des technologies pour le traitement et la récupération des eaux usées générées lors de la fracturation, dans le but d'atténuer les dommages causés à l'environnement par ces systèmes d'extraction.

Références bibliographiques et consultations

• 2021RodriguezJemnifer.pdf (usta.edu.co) Adapté de Arnedo, A et Yunes, K, (2015, p.8).
• Fracking' in the dark : Biological fallout of shale-gas production still largely unknown (Frontiers in Ecology and the Environment) | Nouveaux résultats de recherche de l'Université de Princeton