Quels sont les types de réservoirs géologiques et leurs usages ?
Le sous-sol constitue un élément central des systèmes énergétiques modernes, en raison de sa capacité à contenir et à conserver différents types de fluides naturels. Hydrocarbures, eau, gaz ou encore hydrogène peuvent s’accumuler dans certaines formations géologiques spécifiques, dont les propriétés permettent leur exploitation ou leur stockage.
Un réservoir géologique désigne précisément une formation souterraine poreuse et perméable capable de retenir et de transmettre des fluides (gaz ou liquides), sous une couche imperméable appelée roche couverture. Ce concept est au fondement de nombreuses applications énergétiques, allant du stockage du CO₂ à la géothermie, en passant par l’exploration de l’hydrogène naturel.
Ce qui rend ce concept particulièrement remarquable, c'est sa polyvalence : un même réservoir peut servir successivement à plusieurs usages selon le contexte industriel et le moment de son cycle de vie. La transition énergétique confère ainsi une nouvelle valeur à des formations géologiques autrefois exploitées uniquement pour les hydrocarbures.
Qu'est-ce qu'un réservoir géologique ?
Un réservoir géologique ne correspond pas à une cavité vide dans le sous-sol, mais à un système naturel structuré, composé de plusieurs éléments complémentaires qui permettent l’accumulation et la circulation de fluides en profondeur.
La roche réservoir est une formation géologique poreuse et perméable capable de contenir et de laisser circuler des fluides, qu’il s’agisse d’eau, de gaz, de pétrole, d’hydrogène (H₂) ou de CO₂. Dans le cas des systèmes géothermiques, elle permet également le transfert de chaleur. Elle constitue le volume principal dans lequel les fluides sont stockés.
La roche couverture, également appelée caprock, est une couche imperméable située au-dessus de la roche réservoir. Elle joue un rôle clé en empêchant la remontée des fluides vers la surface. Ce mécanisme de confinement est essentiel dans de nombreux contextes énergétiques, qu’il s’agisse d’hydrocarbures, de CO₂ ou, plus récemment, d’hydrogène naturel — un gaz d’origine géologique dont l’exploration suscite un intérêt croissant. Le Département de l’énergie américain (U.S. DOE) souligne que ces accumulations d’hydrogène se forment précisément dans des environnements où le gaz a migré avant d’être piégé sous une telle formation [4], ce qui illustre le rôle central de cette barrière géologique.
Le piège géologique correspond à la configuration structurale des couches rocheuses qui permet de contenir les fluides en limitant leur migration latérale ou verticale. Il résulte de la géométrie du sous-sol et complète l’action de la roche couverture dans le processus de piégeage.
Dans un cadre réglementaire, la Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA) distingue trois grandes catégories de structures utilisées pour le stockage souterrain du gaz naturel : les réservoirs d’hydrocarbures épuisés, les aquifères et les cavernes salines [2]. Cette classification montre que la notion de réservoir géologique s’applique à une diversité de contextes, bien au-delà de la seule production d’hydrocarbures.
Figure 1 : Différents types de systèmes de stockage souterrain de gaz
Les deux propriétés fondamentales : porosité et perméabilité
Pour qu’une formation rocheuse puisse jouer le rôle de réservoir, elle doit présenter certaines propriétés physiques essentielles, systématiquement évaluées en géosciences. Parmi celles-ci, la porosité et la perméabilité sont déterminantes pour comprendre le comportement des fluides en profondeur.
La porosité correspond à la fraction du volume total d’une roche occupée par des vides, appelés pores. Ces espaces peuvent être d’origine primaire (liés à la formation de la roche) ou secondaire (résultant de processus tels que la dissolution ou la fracturation). Le niveau de porosité détermine directement la capacité de stockage d’un réservoir : plus elle est élevée, plus la quantité de fluide pouvant être contenue est importante.
La perméabilité, quant à elle, décrit la capacité d’un fluide à circuler au sein de la roche, en fonction du degré de connexion entre les pores. Une roche peut ainsi présenter une porosité significative tout en limitant la circulation des fluides si ses pores sont isolés ou faiblement connectés. À l’inverse, une bonne interconnexion du réseau poreux permet une circulation plus efficace, ce qui est essentiel pour les opérations de production ou d’injection.
L’association de ces deux propriétés conditionne le caractère exploitable d’un réservoir, que ce soit pour la production de ressources ou pour leur stockage à long terme. Leur analyse constitue ainsi une étape clé dans l’évaluation et le développement de projets liés au sous-sol.
Les principaux types de réservoirs géologiques
Les réservoirs géologiques ne se ressemblent pas tous. Leur nature lithologique (c'est-à-dire le type de roche qui les compose), leur profondeur et les fluides qu'ils contiennent déterminent leur usage potentiel. On distingue plusieurs grandes familles, chacune présentant un intérêt particulier dans le contexte de la transition énergétique.
Tableau : Types de réservoirs géologiques et leurs usages
| Type de réservoir | Description simplifiée | Fluide(s) concerné(s) | Lien avec la transition énergétique |
|---|---|---|---|
| Réservoir pétrolier ou gazier épuisé | Ancienne formation productrice dont les hydrocarbures ont été extraits | CO₂, gaz naturel, H₂ | Reconversion possible en site de stockage CCUS ou H₂ |
| Aquifère salin profond | Formation poreuse saturée d'eau salée, non potable, à grande profondeur | CO₂ | Site prioritaire pour le stockage géologique du CO₂ |
| Caverne saline | Cavité artificielle creusée dans des couches de sel | Gaz naturel, H₂ | Stockage à cycle rapide (saisonnier ou journalier) |
| Réservoir géothermique | Formation perméable contenant de l'eau ou de la vapeur chaude | Chaleur / fluide chaud | Production d'électricité ou de chaleur décarbonée |
| Réservoir d'hydrogène naturel | Zone de piégeage souterrain où H₂ géologique s'est accumulé | Hydrogène naturel (H₂) | Exploration active pour production d'H₂ bas carbone |
Réservoirs épuisés et aquifères salins : les plus pertinents pour le stockage
Parmi ces catégories, les réservoirs d'hydrocarbures épuisés et les aquifères salins profonds retiennent particulièrement l'attention pour le stockage géologique du CO₂. Leurs caractéristiques et leurs différences méritent d'être précisées.
Les aquifères salins profonds sont des formations poreuses saturées d’eau très salée, non potable, situées à grande profondeur. Ils constituent aujourd’hui l’une des principales options envisagées pour le stockage géologique du CO₂, notamment depuis les premiers projets industriels comme celui de Sleipner en mer du Nord, lancé en 1996 [6]. Leur facteur d’efficacité de stockage se situe généralement entre 2 et 20 % [6], ce qui signifie qu’une fraction seulement du volume poreux disponible est effectivement mobilisée pour le stockage.
Les champs gaziers épuisés, en revanche, peuvent atteindre des facteurs d'efficacité de stockage allant jusqu'à 80 % [6], ce qui en fait des candidats très compétitifs pour des projets de captage et de stockage du carbone (CCS). Selon le GIEC (IPCC), les réservoirs d'hydrocarbures épuisés, les formations charbonneuses et, en particulier, les aquifères salins profonds peuvent tous être envisagés pour la séquestration du CO₂ [1].
Le Federal Energy Regulatory Commission (FERC) des États-Unis classe officiellement les sites de stockage en trois catégories : les champs d'hydrocarbures épuisés, les champs aquifères et les cavernes salines [3], une taxonomie qui reflète bien la diversité des options disponibles à l'échelle industrielle.
Pour aller plus loin : "Pourquoi le stockage géologique du CO₂ est l'une des composantes clés de la transition énergétique"
Réservoirs géothermiques et d'hydrogène naturel
Deux autres types de réservoirs occupent une place croissante dans les réflexions liées à la transition énergétique : les réservoirs géothermiques et ceux associés à l’hydrogène naturel. Encore relativement peu présents dans le débat public, ils suscitent néanmoins un intérêt soutenu dans les milieux scientifiques et industriels.
Les réservoirs géothermiques correspondent à des formations profondes perméables contenant des fluides naturellement chauffés par le gradient thermique terrestre. Selon les conditions géologiques (température, pression, nature des roches), ces systèmes peuvent être exploités pour produire de la chaleur directement ou pour générer de l’électricité via des centrales géothermiques. Leur fonctionnement repose généralement sur la circulation de fluides au sein de la roche réservoir, soit naturellement (systèmes hydrothermaux), soit de manière stimulée dans le cas de réservoirs géothermiques améliorés. Ces ressources sont présentes dans des contextes géologiques variés, ce qui en fait une option énergétique adaptable à différents territoires.
Dans le cas de l’hydrogène naturel, les travaux d’exploration s’intéressent à des accumulations souterraines de dihydrogène (H₂) d’origine géologique, formées par différents processus naturels. Comme pour d’autres fluides, ce gaz peut migrer à travers les formations rocheuses avant d’être piégé sous une roche couverture, créant ainsi des conditions favorables à son accumulation. Bien que ce domaine soit encore en phase d’exploration, les premières estimations suggèrent des volumes potentiellement significatifs à l’échelle mondiale, compris entre 10³ et 10¹⁰ millions de tonnes selon une étude publiée dans Science Advances en 2024 [7].
Réservoirs abandonnés : un actif méconnu de la transition énergétique
Un réservoir géologique épuisé n'est pas nécessairement une infrastructure inutile. La transition énergétique ouvre la voie à leur réaffectation, transformant d'anciens passifs industriels en ressources valorisables pour le stockage d'énergie ou le captage de carbone.
Ce qui distingue un champ épuisé d'un aquifère salin inexploré, c'est précisément la richesse de la documentation qui l'accompagne. Un réservoir dont la production est terminée dispose déjà d'une géologie bien documentée : données de forage, cartographie du sous-sol, historique de production. Ces informations réduisent considérablement le risque et le coût d'un nouveau projet de développement [5].
L'IEA Greenhouse Gas R&D Programme (IEAGHG) a publié une analyse comparative entre réservoirs épuisés et aquifères salins pour le stockage du CO₂ [5], soulignant que la caractérisation géologique préexistante des champs épuisés constitue un avantage significatif lors du développement d'un projet CCS. Cela explique pourquoi, selon l'étude de l'Université de Liverpool (2024), plusieurs grands projets de CCS sont aujourd'hui planifiés dans des champs gaziers épuisés, notamment en raison de leur efficacité de stockage potentiellement supérieure à celle des aquifères [6].
Un même réservoir, plusieurs cycles de valeur
Au-delà du stockage du CO₂, un réservoir peut traverser plusieurs phases d'utilisation au fil du temps. Ce concept de valorisation multi-usage est d'ailleurs bien établi dans le secteur du gaz naturel : une partie du volume d'un réservoir de stockage est réservée comme « coussin de pression » (cushion gas), un volume de gaz permanent maintenu dans le réservoir pour conserver la capacité opérationnelle du site [8].
Ainsi, un réservoir peut successivement traverser plusieurs phases selon l'évolution des technologies et des besoins énergétiques. L'IPCC confirme en ce sens que les formations géologiques profondes peuvent servir simultanément ou successivement à la production et au stockage [1].
Conclusion
Le réservoir géologique n'est pas un concept réservé au passé pétrolier. Les données disponibles rappellent à quel point ces formations représentent une valeur réelle et durable : les réservoirs épuisés peuvent, dans certains cas favorables, atteindre des facteurs d’efficacité élevés, parfois estimés jusqu’à 80 % [6], tandis que le sous-sol mondial renfermerait entre 10³ et 10¹⁰ millions de tonnes d'hydrogène naturel [7], une ressource dont l'exploration repose entièrement sur la compréhension de ces mêmes structures géologiques.
Dans ce contexte, la transition énergétique réinvente le rôle du sous-sol. Que ce soit pour stocker le CO₂, produire de la chaleur ou accéder à de l'hydrogène naturel, la caractérisation fine des réservoirs géologiques devient une compétence géoscientifique centrale pour les décennies à venir.
Comprendre les réservoirs géologiques, c'est comprendre les fondations scientifiques de plusieurs filières énergétiques en pleine croissance. Ce concept-pont entre géologie et énergie est au cœur des enjeux d'exploration et de valorisation durable du sous-sol — des enjeux que Squatex suit de près.
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Références
[1] IPCC. "Underground Geological Storage." Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, chap. 5. Intergovernmental Panel on Climate Change, 2005, https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_chapter5-1.pdf.
[2] U.S. Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration. "Underground Natural Gas Storage." PHMSA.gov, U.S. Department of Transportation, https://www.phmsa.dot.gov/pipeline/underground-natural-gas-storage/underground-natural-gas-storage.
[3] Federal Energy Regulatory Commission. "Natural Gas Storage — Storage Fields." FERC.gov, https://www.ferc.gov/industries-data/natural-gas/overview/natural-gas-storage/natural-gas-storage-storage-fields.
[4] U.S. Department of Energy. "April H2IQ Hour: Geologic Hydrogen." Energy.gov, 24 avr. 2025, https://www.energy.gov/sites/default/files/2025-05/h2iqhour-04242025.pdf.
[5] IEA Greenhouse Gas R&D Programme. "Criteria for Depleted Reservoirs to be Developed for CO2 Storage." IEAGHG.org, https://ieaghg.org/publications/criteria-for-depleted-reservoirs-to-be-developed-for-co2-storage/.
[6] Worden, Richard H. "CCS in Saline Aquifers versus Depleted Gas Fields." Geosciences, Université de Liverpool, 2024, https://livrepository.liverpool.ac.uk/3182037/1/Worden%202024%20Geosciences%20CCS%20in%20saline%20aquifers%20versus%20depleted%20gas%20fields.pdf.
[7] Zgonnik, Viacheslav, et al. "Model Predictions of Global Geologic Hydrogen Resources." Science Advances, vol. 10, 2024. American Association for the Advancement of Science, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0955.
[8] Federal Energy Regulatory Commission. "Natural Gas Storage — Underground Storage." FERC.gov, https://www.ferc.gov/industries-data/natural-gas/overview/natural-gas-storage/natural-gas-storage-underground-storage.
