Roche couverture : comprendre le rôle du cap rock pour le stockage du CO₂ ?
Sous nos pieds, à des centaines ou à des milliers de mètres de profondeur, des formations rocheuses retiennent depuis des millions d'années des fluides sous pression : pétrole, gaz naturel, eau salée. Ce confinement naturel n'est pas le fruit du hasard. Il repose sur une couche de roche à très faible perméabilité qui surmonte le réservoir souterrain et empêche les fluides de migrer vers les strates supérieures ou vers des récepteurs environnementaux sensibles. C'est ce qu'on appelle la roche couverture, ou cap rock en anglais.
Aujourd'hui, ce concept géologique prend une nouvelle dimension dans le contexte de la transition énergétique. Le stockage géologique du CO₂ capturé industriellement, ainsi que le stockage souterrain de l'hydrogène destiné notamment au stockage d'énergie renouvelable à grande échelle, font partie des applications étudiées pour les formations géologiques profondes. Or, l'efficacité et la sécurité de ces approches dépendent en grande partie d'une composante souvent méconnue du grand public : la qualité de la roche couverture.
Comprendre ce qu'est une roche couverture, quelles roches jouent ce rôle, quelles propriétés elles doivent posséder et comment on les évalue permet de mieux saisir les fondements géologiques du stockage souterrain de fluides énergétiques.
Qu'est-ce qu'une roche couverture ?
La définition géologique de la roche couverture
Pour comprendre le rôle d’une roche couverture, il faut d’abord revenir à une propriété géologique essentielle : la perméabilité. En géologie, la perméabilité correspond à la capacité d’une roche à laisser circuler des fluides à travers ses pores, ses microfissures ou ses passages internes. Une roche très perméable, comme certains grès grossiers, permet à l’eau ou au gaz de se déplacer relativement facilement. À l’inverse, une roche à très faible perméabilité forme une barrière naturelle qui limite fortement cette circulation.
La définition d’une roche couverture repose directement sur cette propriété. Il s’agit d’une formation souterraine peu perméable, située au-dessus d’un réservoir géologique, qui contribue à empêcher la migration de fluides comme l’eau salée, le gaz, les hydrocarbures ou le CO₂ vers les couches supérieures, les nappes phréatiques ou la surface. [2] Elle agit ainsi comme le sceau naturel du réservoir.
Dans le contexte du stockage géologique du CO₂, la roche couverture correspond à une couche de faible perméabilité qui recouvre la formation de stockage. Son rôle est de maintenir le CO₂ confiné dans le réservoir, qu’il soit sous forme dense ou en phase vapeur, afin de réduire le risque de migration vers les strates supérieures ou vers des milieux environnementaux sensibles.
Une autre notion importante est la capacité d’étanchéité (seal capacity). Elle désigne la hauteur maximale de colonne de CO₂ qu’une roche couverture peut retenir avant que la pression liée à la flottabilité du fluide ne dépasse la pression d’entrée capillaire. Lorsque ce seuil est franchi, le CO₂ peut commencer à pénétrer dans les pores de la roche et à migrer à travers le sceau. [3] Autrement dit, même une roche très peu perméable possède une limite physique : si la pression exercée devient trop élevée, le confinement peut être compromis.
Figure 1 : Stockage du CO₂ sous roche couverture en aquifère salin profond
Le rôle de la roche couverture dans un système de stockage géologique
Un système de stockage géologique ne se limite pas à une cavité dans le sous-sol. Pour assurer le confinement des fluides injectés, il repose généralement sur plusieurs composantes complémentaires :
une formation poreuse et perméable, qui sert de réservoir pour accueillir le CO₂, l’hydrogène ou d’autres fluides ;
une roche couverture à très faible perméabilité, qui agit comme barrière à la migration verticale des fluides ;
dans certains cas, un réservoir secondaire et un sceau secondaire, qui peuvent contribuer à piéger le CO₂ si le sceau primaire perdait une partie de son efficacité. [1]
Pour visualiser ce fonctionnement, on peut comparer le réservoir géologique à un volume rocheux poreux rempli de fluide. La roche couverture joue alors le rôle de couche d’étanchéité au-dessus du réservoir. Sans cette barrière, les fluides injectés auraient tendance à migrer vers le haut sous l’effet de la flottabilité, en particulier lorsqu’ils sont moins denses que l’eau présente dans les formations profondes.
La roche couverture ne doit donc pas seulement présenter une faible perméabilité au moment de l’évaluation initiale. Elle doit aussi conserver son intégrité dans le temps, malgré les interactions entre le CO₂, la saumure et les minéraux de la roche. Elle doit également résister aux changements de pression et aux variations du champ de contraintes mécaniques qui peuvent survenir pendant et après l’injection des fluides. [1]
Quels types de roches jouent le rôle de couverture ?
Les principales familles de roches couvertures
Toutes les roches ne se valent pas lorsqu'il s'agit de confiner des fluides sous pression. Les roches couvertures les plus efficaces appartiennent principalement à deux grandes familles : les argilites (mudrocks) et les évaporites. Ces deux types constituent les principaux sceaux régionaux pour les réservoirs naturels de pétrole et de gaz, ainsi que pour les sites commerciaux de stockage de gaz en aquifères salins. [2]
Pour mieux distinguer ces familles de roches, quelques définitions sont utiles :
Les argilites et les mudstones sont des roches sédimentaires à grains très fins, composées principalement de minéraux argileux et de silts. Leur faible perméabilité limite fortement la circulation des fluides.
Les schistes (shales) sont aussi des roches sédimentaires fines, souvent riches en minéraux argileux, qui peuvent contenir de la matière organique. Dans le contexte du stockage souterrain d’hydrogène, ils figurent parmi les roches couvertures les plus couramment étudiées pour leur rôle potentiel de confinement. [5]
Les évaporites se forment par l’évaporation progressive d’eaux salées sur de longues périodes géologiques. Elles comprennent notamment la halite, ou sel gemme, et l’anhydrite. Leur très faible perméabilité en fait des barrières naturelles particulièrement efficaces.
D’autres lithologies peuvent aussi jouer un rôle de barrière lorsqu’elles présentent une perméabilité suffisamment faible. Les intervalles de confinement peuvent notamment être composés de schistes, d’anhydrites, de charbons, de sels ou d’autres minéraux capables de limiter la migration verticale du CO₂, tant que les pressions demeurent inférieures à la pression de fracturation ou à la pression d’entrée capillaire. [3] Les évaporites peuvent aussi inclure des lithologies à grains fins cimentées par des chlorures, des sulfates ou des carbonates, comme la calcite et la dolomite. [2]
Il faut toutefois éviter d’évaluer une roche couverture uniquement à partir de son type lithologique. Par exemple, certains schistes carbonés, riches en carbone organique, peuvent ne pas former des sceaux membranaires ou capillaires efficaces pour le CO₂ en raison de leurs propriétés de mouillabilité particulières. [3] La qualité d’un sceau géologique dépend donc aussi de ses propriétés physiques, capillaires, géochimiques et mécaniques propres au site étudié.
Tableau 1 : Principaux types de roches couvertures et leurs caractéristiques générales
| Type de roche | Composition principale | Imperméabilité | Exemples de minéraux |
|---|---|---|---|
| Argilites / Mudstones | Argiles, silts fins | Très élevée | Illite, smectite, kaolinite |
| Schistes (Shales) | Argile + matière organique | Élevée | Argile + kérogène |
| Halite (sel gemme) | Chlorure de sodium | Extrêmement élevée | NaCl |
| Anhydrite | Sulfate de calcium | Très élevée | CaSO₄ |
| Carbonates cimentés | Calcite, dolomite | Variable | CaCO₃, CaMg(CO₃)₂ |
Sources : [2], [3], [5]
Quelles propriétés une roche couverture doit-elle posséder ?
La perméabilité et la pression capillaire : les deux critères fondamentaux
Pour évaluer la qualité d’une roche couverture, deux propriétés sont particulièrement importantes : la perméabilité, qui contrôle la circulation des fluides, et la pression capillaire, qui influence leur capacité à pénétrer dans le sceau géologique.
La perméabilité indique dans quelle mesure une roche laisse circuler les fluides à travers ses pores et ses passages internes. Plus elle est faible, plus la roche limite la migration du CO₂, de l’hydrogène ou d’autres fluides stockés en profondeur.
La pression capillaire désigne plutôt la pression nécessaire pour qu’un fluide injecté, comme le CO₂, puisse déplacer l’eau de formation naturellement présente dans les pores du sceau. [3] Plus cette pression est élevée, plus la roche résiste à l’intrusion du fluide. On peut comparer ce phénomène au fait de faire passer de l’air dans une éponge saturée d’eau : une certaine pression est nécessaire pour déplacer l’eau déjà présente.
En pratique, plusieurs paramètres sont utilisés pour évaluer la qualité d’une roche couverture :
une perméabilité très faible, idéalement dans la gamme du nano-Darcy pour les bons sceaux pétroliers ;
une pression de seuil élevée, qui limite l’entrée du gaz dans les pores du sceau ;
des passages poreux très fins, qui réduisent la capacité des fluides à traverser la roche ;
une mouillabilité favorable, qui influence la manière dont le CO₂, l’eau et les minéraux interagissent ;
une tortuosité élevée, particulièrement importante pour le stockage souterrain de l’hydrogène, car elle rend le chemin de migration plus complexe.
Tableau 2 : Facteurs influençant la capacité d’étanchéité d’une roche couverture
| Critère | Rôle dans l'évaluation d'une roche couverture | Fait clé à retenir |
|---|---|---|
| Perméabilité | Mesure la capacité de la roche à laisser circuler les fluides | Les bons sceaux pétroliers peuvent avoir une perméabilité inférieure à 10 nD² |
| Pression de seuil | Indique la pression nécessaire pour que le gaz commence à pénétrer dans le sceau | Une pression de seuil supérieure à 7 MPa est associée à de bons sceaux pétroliers² |
| Taille des passages poreux | Influence directement la capacité d'étanchéité du sceau | Des passages inférieurs à 15 nm sont mentionnés pour certains excellents sceaux² |
| Tension interfaciale et mouillabilité | Déterminent la manière dont le CO₂, l'eau et la roche interagissent dans les pores | Ces facteurs influencent directement la pression d'entrée capillaire³ |
| Tortuosité | Rend le parcours du fluide plus long et plus complexe dans la roche | Une tortuosité élevée peut améliorer la capacité de confinement de l'hydrogène⁶ |
Pour le stockage géologique du CO₂, ces critères servent notamment à évaluer si la roche couverture peut retenir le fluide injecté sans dépasser les pressions d’entrée capillaire ou les conditions susceptibles de fracturer le sceau. Un grès réservoir peut présenter une perméabilité beaucoup plus élevée qu’une roche couverture efficace, ce qui explique pourquoi le contraste entre le réservoir et le sceau est si important.
Dans le cas du stockage souterrain de l’hydrogène, l’évaluation doit être particulièrement attentive aux propriétés du réseau poreux. Des pores inférieurs à 1 nm, une tortuosité élevée et certaines conditions de pression peuvent améliorer la capacité d’une roche couverture à limiter la migration de l’hydrogène. [6] Comme la molécule d’hydrogène est très petite, son confinement dépend fortement des caractéristiques propres au site, ce qui justifie des analyses spécifiques avant tout projet de stockage.
Le rôle des roches couvertures dans la durabilité du stockage
L’évaluation d’une roche couverture doit tenir compte des longues échelles de temps associées au stockage géologique du CO₂. Selon les modèles climatiques, une durée de résidence d’au moins 10 000 ans serait nécessaire pour éviter que le CO₂ injecté ne réintègre le système atmosphère-océan. [2] Cette exigence met en évidence le rôle central d’un sceau géologique fiable dans la durabilité du stockage.
Pour favoriser un confinement efficace, plusieurs conditions sont généralement recherchées :
un stockage du CO₂ à l’état supercritique, soit à une température supérieure à 31 °C et à une pression supérieure à 7,4 MPa [2] ;
une roche couverture suffisamment épaisse, avec une épaisseur d'environ 30 m considérée comme préférable pour réduire le risque que de petites fractures compromettent le sceau [2] ;
une pression d’injection adaptée aux propriétés mécaniques du réservoir et du sceau ;
une caractérisation détaillée des failles, fractures et discontinuités structurales [4].
Les failles et fractures présentes dans une formation couverture font partie des éléments à caractériser avec soin, puisqu’elles peuvent influencer les voies de migration des fluides. [4] Leur analyse permet de mieux comprendre le comportement du système géologique et d’appuyer la conception, le suivi et la gestion à long terme des projets de captage et stockage du carbone.
Le potentiel de stockage demeure considérable. Les réservoirs de pétrole et de gaz épuisés représenteraient une capacité de séquestration estimée entre 400 et 900 gigatonnes de CO₂. [1] Ce potentiel dépend toutefois de la qualité des réservoirs, de l’intégrité des roches couvertures et des conditions propres à chaque site.
Le stockage souterrain de l’hydrogène suscite également un intérêt croissant, notamment dans les réservoirs de gaz épuisés. Cette option est étudiée comme solution possible pour soutenir le stockage d’énergie renouvelable à grande échelle. [7] Comme pour le CO₂, son développement repose sur une bonne compréhension du réservoir, du sceau géologique, des réactions géochimiques et du comportement mécanique du sous-sol.
Conclusion
La roche couverture est un élément essentiel du stockage souterrain. Sa faible perméabilité, sa capacité d’étanchéité et sa stabilité à long terme contribuent à maintenir le CO₂, l’hydrogène ou d’autres fluides dans des formations géologiques profondes.
Son évaluation doit toutefois être intégrée à une analyse plus large du réservoir, des pressions d’injection, des failles, des réactions géochimiques et des conditions propres à chaque site. Cette compréhension du sous-sol permet de mieux apprécier le potentiel du stockage géologique dans la transition énergétique.
Les roches couvertures rappellent ainsi que la réussite de ces projets repose autant sur la capacité du réservoir que sur la qualité du sceau qui assure le confinement dans le temps.
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Références
[1] Adu-Gyamfi, Benjamin, et al. “Assessment of Chemo-Mechanical Impacts of CO₂ Sequestration on the Caprock Formation in Farnsworth Oil Field, Texas.” Scientific Reports, vol. 12, 2022, article 13023. https://doi.org/10.1038/s41598-022-16990-x.
[2] Springer, Niels, et al. Capture, Storage and Use of CO₂ (CCUS): Seal Capacity and Geochemical Modelling. GEUS Rapport 2020/30, Geological Survey of Denmark and Greenland, 2020. https://data.geus.dk/pure-pdf/GEUS-R_2020_30_web.pdf.
[3] IEAGHG. Caprock Systems for CO₂ Geological Storage. Technical Report 2011/01, IEA Greenhouse Gas R&D Programme, 2011. https://publications.ieaghg.org/technicalreports/2011-01 Caprock Systems for CO2 Geological Storage.pdf.
[4] Zappone, Alba, et al. “Fault Sealing and Caprock Integrity for CO₂ Storage: An In Situ Injection Experiment.” Solid Earth, vol. 12, 2021, pp. 319–343. https://doi.org/10.5194/se-12-319-2021.
[5] Bahar, Mohammad, and Reza Rezaee. “Impact of Hydrogen Solubility on Depleted Gas Field’s Caprock: An Application for Underground Hydrogen Storage.” The APPEA Journal, vol. 61, no. 2, 2021, pp. 366–370. https://doi.org/10.1071/AJ20161.
[6] Alafnan, Saad. “Assessing Leakage Risks of Hydrogen through Aquifers and Caprocks.” Energy & Fuels, vol. 38, no. 20, 2024, pp. 19739–19747. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c03228.
[7] Zeng, Lingping, et al. “Role of Geochemical Reactions on Caprock Integrity during Underground Hydrogen Storage.” Journal of Energy Storage, vol. 65, 2023, article 107414. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107414.
