De la formation à l'exploitation du pétrole



a) La formation du pétrole

   Le pétrole est un mélange très complexe de composés organiques. Les principales familles de composés sont les hydrocarbures saturés, les aromatiques, les résines et les alphaltènes. Les hydrocarbures saturés forment le groupe majoritaire sauf dans les pétroles lourds dégradés. Cette famille comporte des n-alcanes mais aussi des iso-alcanes et des cyclo-alcanes. Les autres familles sont très complexes. Le pétrole brut peut contenir des traces de métaux.

Constituants élémentaires du pétrole

Eléments % en masse

Carbone

Hydrogène

Soufre

Oxygène

Azote

Métaux

84-87

11-14

0.04-6

0.1-0.5

0.1-0.15

0.005-0.015

Voici les 7 principes et phases incontournables pour la formation du pétrole dans la croûte terrestre :

 

1-    A la base il nécessite une matière capable de se transformer en pétrole en quantité suffisante et pour cela il faut de la roche mère. Elle est également dite « usine à pétrole et à gaz », c'est de la roche sédimentaire où une quantité de débris organiques s'est accumulée et fossilisée en même temps que le sédiment minéral durant plusieurs millions d'années. Au début de la sédimentation la matière organique subit une première transformation par les bactéries et conduit à la formation d'un composé solide appelé kérogène. Cette matière organique provient des organismes qui vivaient à proximité, il s'agit pour l'essentiel d'algues planctoniques (le plancton correspond à l'ensemble des êtres vivants de mobilité faible ou nulle qui se laissent passivement transporter par les courants. Il peut être végétal ou animal), de plantes et de bactéries. Pour qu'une roche soit qualifiée de roche-mère, il faut que la matière organique qu'elle contient représente au moins 1 à 2% du poids de la roche. Ce type de sédiments riches en matière organique est rare.

 

 

 

 

 

2-   Selon son origine continentale, marine, ou lacustre, le kérogène ne possède pas la même composition. Cependant, une fois dans la roche mère, il subira le même sort quelle que soit sa provenance : enfouissement et maturation. A mesure de l'empilement des sédiments, les molécules qui forment le kérogène sont amenées à des températures et pressions de plus en plus élevées; c'est l'enfouissement ( la température augmente d'environ 30°C par kilomètre ). A partir d'ici, les molécules vont devenir de plus en plus complexes. La dégradation passera de « biochimique » (régie par les bactéries) à « thermique » (régie par l'augmentation de la température). Notre hydrocarbure est ainsi formé, au terme de l’intervention des deux principaux facteurs : la température et le temps. Mais à ce stade, il ne présente aucun intérêt direct puisqu’il reste réparti dans la roche mère.

3 étapes de la transformation dans la roche-mère :

La première étape de transformation s'appelle la diagenèse, elle regroupe l'ensemble des transformations physico-chimiques et micro biologiques subit par la matière organique. Il s'agit d'une décomposition précoce à faible température (moins de 60°C) et à faible profondeur. L'activité bactérienne continue de jouer un rôle important. Les processus de diagenèse sont variés et complexes : ils vont de la compaction du sédiment à sa cimentation, en passant par des phases de dissolution, de recristallisation ou de remplacement de certains minéraux. A la fin de la diagenèse la matière organique sédimentaire est transformée en bitume et en kérogène.
phases de la diagenèse

Avec l'augmentation de l'enfouissement, le kérogène subit des températures et des pressions de plus en plus élevées. A température  supérieur à 60°C, le kérogène va subir la catagenèse qui peut se résumer comme un processus de craquage thermique du kérogène conduisant à la formation de pétrole et de gaz. Si la température augmente (150°C) il ne restera plus que du gaz sec et du méthane. La fenêtre à huile est l'intervalle de profondeur où la roche-mère génère et expulse le maximum de pétrole, ce qui correspond à une température de 60°C à 120°C. Les profondeurs dépendent du bassins (2 à 4 kilomètres). La phase ultime de la transformation est la métagenèse. C’est le stade de la formation du gaz sec (méthane), par craquage à haute température du kérogène mais également  de l'huile en place. On parle de « fenêtre à gaz », située à partir de 3 kilomètres de profondeur et 150°C.  

3-   Le pétrole doit effectuer des déplacements dit migration vers la surface.  L'enfouissement compacte la roche-mère, qui sous l'effet de la pression expulse ses fluides. Le pétrole, léger, a naturellement tendance à remonter vers la surface. Lorsque cela est possible, il s'échappe sous forme de suintements (écoulement lent d'un liquide, goutte à goutte). Le pétrole formé dans une roche-mère compact  et à  porosité fine est expulsé vers une roche de porosité suppérieure comme les grès ou les roches carbonatées. Contrairement à une croyance très répandue, un réservoir de pétrole n'est pas un immense lac souterrain. Il s'agit bien souvent d'une roche apparemment solide mais très poreuse. En se déplaçant d'un pore à l'autre ou en s'écoulant par des fractures, le pétrole migre lentement vers la surface. La direction de la migration du pétrole par rapport à la roche-mère peut être verticale, latérale ou les deux à la fois. La migration latérale peut dans des cas rare l'amener à la surface où il est exposé à l'évaporation et à la biodégradation.

4- Pour constituer une matière première intéressante à exploiter, les hydrocarbures doivent donc migrer et se concentrer dans un réservoir capable d'accumuler une grande quantité de fluide. La roche qui va les accueillir sera poreuse et perméable (facilité avec laquelle un fluide peut s'écouler à travers la roche), contrairement à la roche mère : on parle de roche réservoir (porosité, perméabilité  et résistivité électrique). Les calcaires, les dolomies ou encore les grès sont des exemples de roches réservoirs.

5-   Ce réservoir doit être étanche. Il faudra une barrière (une couverture), une roche imperméable pour empêcher le pétrole et le gaz de poursuivre leur route vers la surface. C'est la roche couverture. Les évaporites (elles sont aussi appelées « roches salines ») ou les argiles constituent de bons pièges par leur étanchéité.

6-   Pour l'accumulation de pétrole rentable pour l'exploitation, le sous-sol devra présenter une forme suffisamment grande : c'est le piège. Il existe différents types de pièges, liés au dynamisme et à l’histoire structurale du bassin dans lequel se sont formés les hydrocarbures : plis, failles, discordances peuvent faire l’affaire, et souvent plusieurs facteurs se combinent favorablement.

 

7-   Une fois niché dans le piège, notre pétrole ne devrait pas être déstabilisé par des agressions venues de l'extérieur. Il faut de bonnes conditions de conservation.

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b) Comment se fait la prospection ?

    Pour repérer les structures souterraines susceptibles de constituer des « pièges à pétrole » la prospection devenue un travail d'équipe, fait appel à des techniciens de toutes sortes, notamment des géologues et des géophysiciens.

   L'étude de la surface du sol peut donner une première indication de la constitution du sous-sol. Il est important d'étudier toutes les informations géologiques et géographiques recueillies sur une zone et d'établir des cartes détaillées. Ces recherches sont facilitées par la photographie aérienne: qui permet de déceler les structures apparentes: plissements, failles, anticlinaux, dôme, ect... la nature des sols, la densité et le genre de végétation, les bouillonnement éventuels de gaz de pétrole à la surface des lacs ou des étangs, ect...  On se sert davantage de l'imagerie par satellite.

   Grâce à une étude du sol par prélèvements et qui sont ensuite analysés en laboratoire et grâce à la photographie aérienne, les géologues peuvent arriver à dresser des cartes du sous-sol où apparaissent clairement les structures favorables à l'accumulation du pétrole. Les géophysiciens vont ausculter en profondeur l'écorce terrestre aux emplacements présumés des gisements.

   Des études géophysiques fournissent des informations complémentaires sur les formations rocheuses situéees au-dessous de la surface. Ces études incluent des mesures de la gravité  et du champs magnétique, car ces paramètres sont affectés par les différents types de roches qui composent l'écorce terrestre et par leur répartion.


4 méthodes de recherche :

   La méthode gravimétrique est un procédé de reconnaissance préalable fondé sur l'observation des variations de l'attraction terrestre.  La gravimétrie est une méthode géophysique qui cherche à determiner d'après les perturbations du champ de la pesanteur en différents points de la surface du sol, la répartition probable, dans le sous-sol, les divers types de roches caractérisées par leur densité. Le gravimètre mesure l'intensité de la pesanteur en divers points du terrain que l'on expose. Il met en évidence les anomalies du champ de la pesanteur. Cette méthode s'accompagne d'études sismiques pour plus de précision.

exemple de gravimètre

   La méthode magnétique consiste à mesurer les variations du champ magnétique terrestre (produit par les déplacements du noyau externe - composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs - qui se comporte comme une gigantesque dynamo). Le magnétomètre met en évidence les anomalies du champ magnétique terrestre et permet de connaître les positions respectives dans le sous-sol des roches du socle cristallin et des terrains sédimentaires ( incertitude )

 

  exemple de magnétomètre                    anomalie du champ magnétique dans le monde

   La méthode électrique inventée par un savant français Conrad Schlumberger, consiste à mesurer la résistance opposée par les roches souterraines au passage d'un courant électrique. Les variations de résistivité pour un minéral particulier sont énormes, et peuvent dépendre des impuretés et des cristaux. En général dans les roches ignées la résistivité apparente est élévée. Si la roche est saine, peu fracturée, pas poreuse, peu de fluide y circule et elle sera très résistante. Les fractures diminuent la résistivité. Dans les sédiments et les roches sédimentaires la résistivité est souvent plus faible. Plus ces roches sont vieilles, tassées et profondes plus la porosité diminue et la résistivité est élevée. Le facteur derterminant de la résistivité d'un sol est la teneur en eau.

   La méthode sismique permet de calculer les profondeurs approximatives des structures terrestres. Elle consiste à faire exploser une charge dynamique pour provoquer un tremblement de terre miniature, l'onde de choc se propage à travers les couches du sous-sol. Cette méthode consiste à envoyer dans le sol des ondes sonores, réfléchies par différentes surfaces rocheuses. On mesure alors le temps que mettent les ondes pour revenir à la surface.

 

 

 

 

 

 

   Personne ne peut dire avec certtude où le pétrole se cache dans le sol. Le seul moyen efficace de le savoir consiste à pratiquer des forages. Depuis plus de cent ans l'homme effectue des forages systématiques pour trouver du pétrole. La première tentative couronnée de succès a été celle de d'Edwin L. Drake à Titusville, aux Etats-Unis, en 1859 : le pétrole y a été découvert à une profondeur de vingt et un mètre. Depuis lors, d'actives recherches ont été poursuivie sans relâche dans le monde entier. Même aujourd'hui, on ne peut être sûr qu'un forage dont on aura minitieusement choisi l'emplacement atteindra "l'or noir", et pourtant l'on sait bien mieux dans quelles régions on a quelques chances de le trouver. Le pétrole s'est formé dans des roches sédimentaires : il serait donc parfaitement illogique de le rechercher dans des formations uniquement constituées par des roches volcaniques. L'âge des roches est aussi une donnée fort utile. Mais le plus important de tous les indices recherchés réside dans les structures susceptibles de former des pièges pétrolifères à la suite de certains mouvements de l'écorce terrestre.

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c) L'exploitation du pétrole

L'ouverture d'un chantier de forage pose d'innombrables problèmes : transport d'un tonnage considérable de matériel, logement du personnel, alimentation très abondante en eau. La mise en place de telles installations est d'autant plus difficile que les zones pétrolières sont, pour la plus part, situées dans des régions arides ou désertiques ou bien au large des côtes. Ceci explique notamment que la découverte des richesses sahariennes en plein désert n'ait pas été possible avant l'existence de la jeep, des gros camions sahariens, des lourds avions de transport et des habitations à air conditionné.

  • Comment fore-t-on un puits ?

L'ensemble de l'appareillage qui sert au forage, d'un poids supérieur à 100 tonnes, est suspendu à la charpente d'un derrick qui peut atteindre 50 mètres de haut. Au sommet du derrick sont fixés plusieurs palans et poulies reliés à des treuils mécaniques qui permettent de manoeuvrer au fur et à mesure les lourdes tiges creuses de 9 mètres de long vissées bout à bout. La tige qui se trouve au niveau du sol est carrée. Elle est animée par la table de rotation placée sur une plate forme à trois mètres de hauteur. C'est elle qui met en mouvement, à une vitesse variant de 50 à 400 tours/ minute, l'outil d'attaque que l'on nomme le trépan.

La boue liquide, injectée sous pression à travers les tubes de forage, s'échappe par les trous du trépan. Cette boue évacue les débris de roche arrachés par le trépan et les remonte à la surface du sol dans l'espace compris entre les tiges de forage et le tubage en acier qui consolide les parois du forage. A la sortie du puits, la boue est récupérée, tamisée et renvoyée dans le circuit pendant que les laboratoires analysent les débris ramenés. La boue fait l'objet d'un contôle constant et d'une préparation minutieuse, variable suivant les terrains. Cette méthode de forage appelée méthode rotaty, nécessite beaucoup de précautions et présente de très nombreuses difficultés. Le poids des tubes magnipulés par les foreurs peut dépasser 200 tonnes et il faut remonter ces tubes régulièrement pour changer le tépan usé. On compte environ une heure de travail pour remonter 250 mètres de tiges et pour creuser à une profondeur de 3000 mètres, il faut parfois remonter 100 fois le train de tige tout entier.

Les trépans taillés dans les aciers les plus durs sont de type très divers selon la nature de la roche qu'ils percent. Ils valent en moyenne 150 euros, mais certains ont beaucoup plus de valeur, leurs arêtes et leur pointes étant munies de diamants industriels qui permettent la pulvérisation des roches les plus résistantes.

En dehors de ce procédé classique de forage que constitue le rotaty, il a été mis au point au cours de ces dernières années une technique appelée turbo-forage. Celle-ci consiste à mettre en oeuvre une turbine, placée juste au dessus du trépan et mise en mouvement par le courant de boue sous pression, tandis que les tiges restent fixes. On évite ainsi les considérables pertes d'énergie par frottement qui constituent l'inconvénient majeur du système rotaty. Celui-ci perd en effet à 3.000 m. les 9/10e de la puissance exercée au niveau du sol. Le turbo-forage permet en outre de remédier aux inconvénients qui résultent dans le système rotaty, de l'effort de torsion auquel est soumis le train de tiges.

Un gisement pétrolifère, c'est une sorte d'énorme "éponge minérale", enfermée sous un couvercle de roches imperméables. En creuvant, par ses forages, le "toit" du gisement, en mettant le gaz ou le pétrole (sous pression par les pores de la roche) en communication avec la surface, l'homme rompt dans les profondeurs du sous-sol un certain équilibre physique : le pétrole, le gaz et l'eau du gisement vont être drainés vers les puits sous l'influence de divers facteurs, poussée de l'eau sous jacente, pression du gaz, etc... Aujourd'hui, l'exploitation pétrolière ne cherche plus à épuiser un gisement dans le plus court laps de temps, et à obtenir immédiatement de gros rapports, comme il était de mode à l'époque héroïque. Les anciens prospecteurs "oubliaient" ainsi dans les couches du sous-sol la plus grande partie d'un pétrole devenu irrécupérable. On préfère maintenant des débits mieux réglés, plus limités au départ, mais garants d'une exploitation plus complète. Aussi de longues études des conditions de production, des mesures effectuées à intervalles réguliers pendant toute la durée de l'exploitation, sont-elle indispensables pour déterminer dans chaque champs pétrolifère le rythme d'extraction le plus propre à éviter le gaspillage des réserves. La mesure de la pression à la tête d'éruption (Arbre de Noël), ensemble de vanne qui règlent le débit du puits en production.

Différentes méthodes sont utilisées pour faire monter le pétrole vers la surface :

1. Drainage par expansion du gaz dissous.

Le gaz est dissous dans le pétrole, tel le gaz carbonique dans une bouteille de soda. A l'ouverture du puits la décompression provoque le dégagement du gaz qui, en s'échappant, entraîne avec lui le pétrole émulsionné (récupération 10 à 30% du pétrole).

2. Drainage par poussée de gaz libre.

Du gaz s'est accumulé dans la partie haute du gisement. Le gaz prisonnier, s'il est sous forte pression, va, en détendant, refouler le pétrole vers le puit (récupération : 30 à 80% du pétrole suivant les conditions de permaméabilité et de pression du gisement).

3. Drainage par poussée de l'eau sous-jacente du gisement.

L'eau située sous le pétrole dans le gisement peut-être en relation avec la surface et sa pression est déterminée alors par la hauteur hydrostatique. L'eau pousse ainsi le pétrole vers le puits (récupération 70 à 80%).

  • Forages en mer

Le forage en mer connaît, depuis quelques années, une très grande extension; mais pour l'instant, seul le plateau continental a donné lieu à prospection et à recherche. Avant de forer sous la mer, il faut , comme à terre, procéder à une campagne de recherche au cours de laquelle on emploie des méthodes analogues, adaptées au milieu marin et sous marin. Au début, on s'éloignait peu du rivage, et les forages effectués en milieu sous-marin étaient souvent dans le  prolongement de gisements terrestres. Une sorte de jetée reliait les installations de forage à la terre ferme. Puis on utilisa, dans des eaux de faible profondeur (lagunes, marais, ect.) des pontons submersibles reposant sur le fond à l'endroit à forer. Pour les fonds  plus importants, vinrent les plates-formes fixes sur pilotis;la plate-forme peut supporter toutes les installations de forage, ou seulement le derrick; les installations auxiliaires se trouvent alors sur un ponton annexe. On utilise également pour  les grandes profondeurs (100 m) soit des plates formes mobiles à hauteur constante, soit des plates-formes mobiles auto-élévatrices qui, une fois arrivées sur place par flottaison,  s'élèvent au-dessus des vagues  en faisant reposer leurs piles sur le fond. On emploie aussi des navires de forage, unités flottantes de tonnage relativement élevé (3000 t) portant toutes les installations de forage, ancrées au-dessus du point choisi. Le forage sous-marin qui s'effectue dans un milieu particulièrement mobile, pose des problèmes beaucoup plus délicats qu'à terre et beaucoup plus coûteux. La surveillance et la conduite du forage au fond de l'eau font appel à la télévision sous-marine, voire à de véritables robots; c'est d'ailleurs surtout grâce au forage sous-marin que les techniques de travail sous la mer font actuellement de très gros progrès.  

  • Exemple de forages en conditions extrêmes : l'Arctique

L'océan glacial arctique est fertile en hydrocarbures. Certains gisements ont déjà été exploités, le plus connu étant celui d'Alaska. Le climat polaire se caractérise par des hivers froids et des étés frais, les températures moyennes vont de -37°C en hiver à 10° l'été. L'essentiel des gisements sont situés de 10 à 1000  m de  profondeur, souvent 150 m, ce qui est tout à fait accessible aux équipements actuels. Cependant, les conditions climatiques exigent des équipements resistants aux températures d'air et d'eau très basses et la survenance d'icebergs, tous ces points rendant le pétrole de l'Arctique plus cher que les autres. La Russie détient l'essentiel des réserves identifiées.

 

On constate que dans le monde il y a de nombreux bassins sédimentaires (zones où une grande quantité de sédiments s'est accumulée et qui rassemblent les conditions requises à la formation d'hydrocarbures) mais qu'au final peu produisent des hyrocarbures et particulièrement du pétrole. Les réserves en pétrole sont très rares et celles qui restent encore aujourd'hui sont utilisées dans des zones du globe peu accessibles où les conditions climatiques sont extrêmes. Certaines exploitation s en viennent même à détruire l'environnement comme celles des exploitations des sables bitumineux du Canada. Le pétrole, comme nous l'avons vu, ne se forme pas en quelques années mais en plusieurs millions d'années. C'est pour cela que dés aujourd'hui nous devrions réflechir sur la manière d'en consommer moins et de se faire à l'idée qu'un jour, dans une cinquantaine d'années selon certains, le monde devra survivre sans celui-ci. 

Lauréana

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