Le pétrole, de l`origine à l`extraction par Bruno Roberge

TECHNIQUES DU MILIEU NATUREL
Matière 2
147-514-FE
Le pétrole; de l’origine à l’extraction
Par
Bruno Roberge
Présenté à
Annette Huot, professeure
Cégep de Saint-Félicien, octobre 2010
1
Table des matières
Introduction ......................................................................................................................... 3
Le kérogène, l'origine du pétrole ........................................................................................ 3
La formation du pétrole plus détaillée ................................................................................ 4
Accumulation de matière organique ............................................................................... 5
Maturation de la matière organique ................................................................................ 5
Piégeage des hydrocarbures ............................................................................................ 5
Histoire................................................................................................................................ 6
Réserves pétrolières ............................................................................................................ 7
Principaux pays producteurs ............................................................................................... 8
Principaux pays consommateurs ......................................................................................... 9
Les différentes façons d’extraire le pétrole en fonction des hydrocarbures exploités ...... 10
Conclusion ........................................................................................................................ 11
Médiagraphie .................................................................................................................... 12
2
Introduction
Le pétrole est conventionnellement définit comme un liquide composé principalement de
molécules d'hydrocarbures, c’est-à-dire formées uniquement de carbone et d'hydrogène.
Il contient aussi, en proportions variables, des molécules lourdes plus complexes comme
de l'oxygène, de l'azote et du soufre appelées résines ou asphaltènes (en moyenne 15 %).
Il s'est constitué à partir d'organismes vivants comme des algues, du plancton et parfois
des végétaux continentaux qui ont vécu il y a plusieurs millions d'années. Tout comme il
n'y a pas deux êtres humains au monde qui sont parfaitement identiques, il n'y a pas deux
réserves de pétrole qui fournissent exactement le même liquide non plus. Ainsi, chaque
champ de pétrole sur la planète contient une huile qui a ses propres caractéristiques et qui
s’est formée selon les conditions locales dans lesquelles elle s’est développée1. Ce travail
de recherche documentaire portera sur la façon dont le pétrole s’est formé au fil du temps
et sur l’histoire de ses découvertes jusqu’à son extraction. Plus précisément, après une
explication sur l’origine du pétrole et sur la façon dont les gisements de pétrole se
forment avec ses trois grandes étapes, il y a une courte histoire du pétrole. Ensuite, il y est
question des réserves pétrolières, des principaux pays producteurs et consommateurs de
pétrole, et enfin, le texte traite des différentes façons d’extraire le pétrole en fonction des
hydrocarbures exploités.
Le kérogène, l'origine du pétrole
Comme le titre de la section l’indique, c’est ce qui s’appelle le kérogène qui est à
l’origine du pétrole. Ainsi, selon le site http://samuel.benoit.online.fr/fr/petroleformation-gisements-roche-mere-kerogene-brut-lourds-non-conventionnels-sablesbitumineux-baril, le kérogène résulte de la décomposition des matières organiques par
des bactéries. Il y est mentionné qu’«il y a plusieurs millions d'années, les restes de
nombreux organismes marins se sont déposés au fond des océans. Avec le temps, ils se
sont accumulés et se sont mélangés à la boue et au limon (le limon est une classe
texturale de particules plus petites que le sable) pour former des couches de sédiments
riches en matière organique : le kérogène.» Il est concentré dans la roche mère qui est une
masse minérale et il a la forme de petits filets.
Très graduellement, à cause des mouvements des plaques tectoniques qui forment la
croûte terrestre, les sédiments s'enlisent dans le sol. Avec l'effet de la forte compression
qu’il y a dans les profondeurs, ces strates de sédiments se sont alors métamorphosées en
roche. Le pétrole brut se forme lorsque ces couches de sédiments qui épaississent avec le
temps subissent une augmentation de la température causée par les apports de chaleur
issus de l'énergie interne de la Terre (chaleur géothermique). Suite à ces pressions et à
1
http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html
3
l’élévation de la température, les matières organiques se décomposent en substances plus
simples que sont les hydrocarbures. Cette décomposition d'origine géothermique se
nomme la pyrolyse.
Le pétrole brut est relativement léger. Il peut donc refaire lentement le chemin inverse de
celui que les couches de sédiments ont parcouru à travers les couches géologiques
poreuses. Ainsi, il a tendance à remonter de façon naturelle vers la surface de la Terre.
Quand il rencontre des roches imperméables, il se forme une accumulation sous celles-ci.
C’est d’ailleurs ce qui a donné le nom d'origine du pétrole, qui vient du latin petra oleum
et qui veut dire huile de roche. Il y a aussi du gaz naturel, plus léger, qui s'accumule dans
la partie supérieure des poches de pétrole ainsi constituées et de l’eau, plus lourde, qui
s’accumule dans les parties inférieures2.
La formation du pétrole plus détaillée
Comme il l’a été vu dans la section précédente, le pétrole est issu de l'histoire géologique
de la région où il se trouve et sa formation est le dénouement d'une lente transformation
de sédiments. Donc, la formation du pétrole résulte d’une succession de stades bien
particuliers.
Ces phases sont dans l’ordre, l'accumulation de matière organique, essentiellement
végétale, sa maturation en hydrocarbures et enfin son emprisonnement dans des poches
entre deux couches de sol.
Cependant, bien que le pétrole migre généralement vers le haut parce que plus léger
comme ce le fut mentionné précédemment, le gisement peut aussi être entraîné à nouveau
dans la tectonique des plaques et le processus peut se prolonger presqu’interminablement.
Il est aussi possible que le gisement soit enfoui encore plus profondément et qu’il se
pyrolyse à nouveau, créant un gisement de gaz naturel. C’est ce que les spécialistes
nomment communément du gaz thermogénique secondaire, par opposition au gaz
thermogénique primaire qui se forme directement par pyrolyse du kérogène3.
Il faut donc une conjecture de circonstances favorables pour que naisse un réservoir de
pétrole ou de gaz naturel. Selon la page http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole du
site wikipédia, c’est «ce qui explique d’une part que seule une infime partie de la matière
organique formée au cours des ères géologiques ait été transformée en énergie fossile et,
d’autre part, que ces précieuses ressources soient réparties de manière très disparate dans
le monde.»4
2
http://samuel.benoit.online.fr/fr/petrole-formation-gisements-roche-mere-kerogene-brut-lourds-nonconventionnels-sables-bitumineux-baril
3
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
4
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
4
Accumulation de matière organique
Normalement, la biosphère recycle la presque totalité des débris et des autres sousproduits qui se décomposent. La notion de biosphère se définit par un espace vivant et par
un processus dynamique qui s’entretient de façon autonome sur la planète Terre, et ce
depuis près de 4 milliards d'années5. Par contre, une fraction minoritaire de la matière
devenue inerte se sédimente au lieu de se recycler. C’est-à-dire qu’elle s'accumule par
gravité et qu’elle s’enfouit à l’intérieur de la matière minérale, et que dès lors elle se
retrouve exclue de la biosphère. Ce phénomène se produit dans des environnements
particuliers. Entre autres, dans des endroits confinés tel que les milieux paraliques comme
les lagunes et les deltas. Il survient surtout en milieu tropical et pendant des périodes de
réchauffement climatique intense comme lors des périodes silurienne et jurassique, et où
le volume de débris organiques dépasse la capacité de recyclage de l’écosystème local.
C’est donc pendant ces périodes que s’accumulent ces sédiments riches en matière
organique essentiellement composée de lipides6.
Maturation de la matière organique
Progressivement, pendant que des sédiments se déposent en couches au-dessus de cette
strate déjà abondante en matière organique, la roche-mère voit sa température et sa
pression augmenter. C’est dans ces conditions que la matière organique se transforme en
kérogène disséminé dans la roche et ayant l’aspect de petits grumeaux. Si la température
est suffisante, le seuil minimal étant d’au moins 50 °C mais ordinairement plus selon la
nature de la roche et du kérogène, et si le milieu est réducteur, le kérogène sera pyrolysé
très très lentement.
Le kérogène est donc la substance intermédiaire entre la matière organique et les
combustibles fossiles et il produit du pétrole et/ou du gaz naturel, qui sont plus riches en
hydrogène, dépendamment de sa composition et des conditions d’enfouissement. Si la
pression devient suffisante, les fluides s’échappent, et c’est ce qu’on appelle la migration
primaire. Généralement, la roche mère a plusieurs dizaines, même plusieurs centaines de
millions d’années lorsque cette migration se produit. Le kérogène reste pour sa part en
place, appauvri en hydrogène7.
Piégeage des hydrocarbures
Pour ce qui est du piégeage des hydrocarbures, ces derniers, qui sont plus légers que
l’eau, sont expulsés et ils s’échappent usuellement jusqu’à la surface de la Terre où ils
sont soit oxydés, soit biodégradés. Ce dernier cas donne les sables bitumineux qui seront
mentionnés plus loin dans le texte. Par contre, une quantité négligeable est piégée et se
retrouve dans une zone perméable généralement composée de sable, de carbonates ou de
5
http://fr.wikipedia.org/wiki/Biosph%C3%A8re
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
7
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
6
5
dolomites qu’on appelle la roche-réservoir, et ne peut s’échapper à cause d’une couche
imperméable d’argile, de schiste et de gypse, qui se nomme la roche piège formant alors
une structure-piège. Il existe plusieurs types de pièges8.
Histoire
Jusqu’à maintenant, le texte traitait du pétrole, de son origine et de sa formation. Cette
section traitera pour sa part de l’utilisation que les humains ont fait du pétrole depuis sa
découverte
jusqu’à
aujourd’hui.
Ainsi,
toujours
selon
la
page
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole du site wikipédia, «le pétrole est connu et
utilisé depuis la plus haute antiquité»9. Il y est mentionné qu’il était utilisé de nombreuses
façons comme pour le calfatage des bateaux («le calfatage étant l'action qui consiste à
remplir tous les joints et interstices entre les planches constituant le revêtement extérieur
de la coque et du pont d'un bateau afin de le rendre étanche. 10»), dans le ciment pour le
pavage des rues, comme source de chauffage et d'éclairage, et même comme produit
pharmaceutique. Sa distillation, décrite dès le Moyen Âge, ajoute un intérêt additionnel
avec les lampes à pétrole.
C’est seulement à partir des années 1850, suite à l’industrialisation, que le pétrole fait
l'objet d'une exploitation et d'une utilisation industrielle. Il est d’abord exploité en
Roumanie, puis aux États-Unis, dans l'État de Pennsylvanie. Dès le début du 20e siècle, il
devient une matière première mondialement stratégique aux niveaux économique et
politique. La période entre 1920 et 1970 est imprégnée d’une série de grandes
découvertes de gisements, principalement au Moyen-Orient, qui font la convoitise des
grands pays consommateurs. Par le fait même, les marchés des produits pétroliers se
développent. De plus, mis à part les carburants comme l'essence et le diesel qui génèrent
l'essor des transports dans leur ensemble, l'industrie pétrolière engendre une multitude de
produits dérivés, parmi lesquels il y a les matières plastiques, les textiles et le caoutchouc
artificiels, les colorants, ainsi que les intermédiaires de synthèse pour la chimie et la
pharmaceutique. Ces différents marchés permettent d’utiliser la totalité des composants
du pétrole.
L'histoire du monde est marquée par la période 1973-1980 avec les premier et deuxième
chocs pétroliers. Cependant, à partir de 1985, avec le contre-choc pétrolier, c’est plutôt
un effondrement du prix du baril de pétrole qui se produit. En 2003, à cause de la
spéculation sur les matières premières, le prix du baril remonte, et ce malgré une
8
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
10
http://fr.wikipedia.org/wiki/Calfatage
9
6
production soutenue et une relative paix internationale11. Lorsque cette spéculation
s'arrête subitement en 2008, le prix du baril chute avant de se stabiliser en 2009 et 201012.
Réserves pétrolières
Puisqu’il est maintenant question de la place importante qu’a le pétrole dans la politique,
dans l’économie et dans la vie quotidienne d’aujourd’hui, il devient incontournable de
parler de ce que sont les réserves pétrolières. Donc, textuellement, «les réserves
pétrolières désignent le volume de pétrole récupérable, à partir des champs de pétrole
découverts, sur la base des contraintes économiques et techniques actuelles.» Ce volume
est basé sur l'estimation de la quantité de pétrole qui est présente dans des champs déjà
connus et qui est affectée par un coefficient minorant qui lui, dépend de la capacité
actuelle à extraire ce pétrole du sol. Ce coefficient dépend de chaque champ et il peut
varier de 10 à 50%, avec une moyenne mondiale de 35% en 200913.
Les réserves pétrolières sont classées dans trois catégories selon leur probabilité
d'existence à l’intérieur de la terre. Il s’agit des réserves prouvées avec une probabilité de
plus de 90% d’existence, les réserves probables avec 50 à 90% d’existence et les
réserves possibles allant de 10 à 50%.
Il existe aussi diverses sortes de réserves en fonction du type de pétrole. Il y a d’un côté
le pétrole conventionnel et de l’autre, les pétroles non conventionnels. Les pétroles non
conventionnels sont surtout les huiles extra-lourdes, les schistes bitumineux et les sables
asphaltiques. La rentabilité des gisements de pétrole non conventionnel n’est pas assurée
parce que la quantité d'énergie nécessaire à leur extraction est plus importante que pour le
pétrole conventionnel et qu’elle peut être supérieure à l’énergie et au profit qu’ils peuvent
générer.
En règle générale, les quantités de réserves pétrolières concordent avec les réserves
prouvées de pétrole conventionnel. Subséquemment, selon les chiffres de British
Pétroleum (la compagnie responsable de la marée noire en Louisiane en 2010), les
réserves mondiales de pétrole conventionnel étaient estimées à 1200 milliards de barils en
2005.
La contenance des réserves résulte d'estimations qui sont variables tant dans leur qualité
que dans leur ancienneté. Elles sont réévaluées chaque année, à mesure que des
informations plus assurées sont amenées sur les gisements déjà découverts. Cependant,
les réserves déclarées par les pays de l'OPEP, qui pourraient représenter environ 75% des
réserves mondiales, sont remises en questions et enclines à tromper les résultats réels
11
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
http://prixdubaril.com/
13
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
12
7
parce qu’elles ont été mensongèrement accrues dans les années 1980, et que les quantités
de réserves divulguées par ces pays ne varient pas depuis cette fausse augmentation, et ce
malgré l'absence de découvertes majeures de nouveau gisement pétrolier. Ainsi, selon
l'OPEP, les réserves totales de onze pays de l'OPEP en 2003 étaient estimées à 891
milliards de barils alors que Colin Campbell, expert à l'ASPO (Association for the Study
of Peak Oil and Gas ou l'association pour l'étude du pic pétrolier et gazier), elles se
chiffreraient plutôt autour de 491 milliards de barils.
Selon la méthode dites backdated d'estimation, qui comptabilise les mises à jour à partir
de la date de découverte des gisements, qui est préconisée par les experts de l'ASPO, la
quantité des réserves mondiales de pétrole décroît depuis l'année 1980.
La découverte de pétrole non conventionnel au Vénézuela, en 2009, avec une réserve de
513 milliards de barils, permet de compenser partiellement la diminution des réserves de
pétrole conventionnel.
Cependant, depuis 1965, on observe une tendance à la baisse des découvertes de
gisements de pétrole. La page http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole de wikipédia
ajoute qu’en date du 23 octobre 2010, «les quantités de pétrole découvert chaque année
représentent approximativement un tiers de la production mondiale.» et que «Les dix
premiers gisements mondiaux en termes de débit de production ont tous été découverts
avant 1976.»14
Principaux pays producteurs
La production mondiale de pétrole est d’environ 85 millions de barils par jour, dont 34
millions de barils proviennent des pays membres de l’OPEP. Ce sont :
En Afrique :
o
Algérie,
o
Libye,
o
Angola,
o
Nigeria,
Au Moyen-Orient :
o
Arabie saoudite,
o
Émirats arabes unis,
o
Koweït,
o
Iran,
o
Irak,
o
Qatar,
En Amérique :
o
Venezuela,
o
Équateur.
14
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
8
Certains grands pays producteurs, parmi lesquels certains sont exportateurs nets, ne sont
pas membres de l'OPEP. Il s’agit du Canada, du Royaume-Uni, de la Russie, de la
Norvège, du Mexique, du Soudan, de l'Oman et des États-Unis15.
Or, il est possible de trouver les données, exprimés en millions de barils/jour (mbj) et
datant de juin 2008, des principaux pays producteurs de pétrole, indifféremment que les
pays soient membres de l’OPEP ou non, sur le site :
http://www.ladocumentationfrancaise.fr/dossiers/petrole/principaux-producteursconsommateurs-petrole.shtml
Principaux pays consommateurs
En 2007, les principaux pays consommateurs de pétrole, selon la page
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole du site wikipédia, sont, en millions de
tonnes par année (millions de barils/jour):
États-Unis : 943,1 (20,7)
Chine : 368 (7,86)
Japon : 228,9 (5,05)
Inde : 128,5 (2,75)
Russie : 125,9 (2,70)
Allemagne : 112,5 (2,39)
Corée du Sud : 107,6 (2,37)
Canada : 102,3 (2,3)
Arabie saoudite : 99,3 (2,15)
Brésil : 96,5 (2,19)
France 91,3 (1,92)
Italie : 83,3 (1,75)
Espagne 78,7 (1,72)
Royaume-Uni : 78,2 (1,70)
Iran : 77 (1,62)
Selon le même site, l’Union européenne consommerait 703,9 millions de tonnes par
année, soit 14,86 millions de barils/jour, ce qui est relativement peu, considérant
l’importance économique de cette zone.
Aussi, l’Afrique consommerait pour sa part 138,2 de millions de tonnes par années, soit
2,96 millions de barils/jour, ce qui représente moins de 4,6% de la consommation
mondiale.
15
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole
Des données plus récentes datant de juin 2008 sont disponibles sur le site :
http://www.ladocumentationfrancaise.fr/dossiers/petrole/principaux-producteursconsommateurs-petrole.shtml
Les différentes façons d’extraire le pétrole en fonction des
hydrocarbures exploités
Au début de l'exploitation pétrolière, le seul pétrole que la technologie de l’époque
permettait d’extraire était le pétrole conventionnel. C'est à dire le liquide produit par la
pyrolyse du kérogène, ayant été expulsé de la roche mère, et s’étant concentré dans un
réservoir. L’exploitation de ce pétrole est relativement aisée comparativement aux
nouvelles méthodes d’extraction des pétroles non conventionnels. D’abord parce qu’une
partie sort sans aide sous l’effet la pression du gaz généralement associé, alors que le
reste est simplement pompé avec diverses techniques qui ne cessent de se perfectionner.
L’extraction de ce pétrole conventionnel demande seulement quelques % en moyenne, de
l'énergie consommée qui sera disponible dans l'huile extraite16.
Cependant, en partie parce que les réserves de pétrole conventionnel ne sont pas
inépuisables, les sociétés pétrolières s'intéressent de plus en plus au pétrole non
conventionnel, qui comprend :
les sables bitumineux, comme ceux qui se trouvent dans la province d’Alberta au
Canada, et les huiles extra-lourdes, qui correspondent aux poches de pétrole qui se
sont vu être déposséder de ses éléments volatils. Il s'agit en fait de pétrole plus
ancien que le pétrole conventionnel, et qui s'est altéré à proximité de la surface
terrestre en s'enrichissant en molécules lourdes.
les schistes bitumineux, qui sont pour leur part un mélange de roches et de
kérogène n’ayant pas subi de pyrolyse. Ils portent cependant leur nom à tort
puisqu’ils ne contiennent pas de bitume. Le bitume étant «une substance
composée d'un mélange d'hydrocarbures, très visqueuse (voire solide) à la
température ambiante et de couleur noire.»17. Il s'agit plutôt de combustibles
fossiles qui ne se sont pas rendus au stade de pétrole dans la chaîne de
transformation. Ces ressources devraient donc de préférence être incluses dans la
catégorie des charbons, comme le sont la tourbe et la lignite. Ils peuvent être
transformés en pétrole, mais pour ce faire, ils doivent subir une pyrolyse en usine
à 500 °C, afin de ne pas attendre un million d'années. Par contre, le bilan
énergétique est loin d’être excellent, même qu’en général la dépense énergétique
est plus importante que l’énergie que l'on en obtiendra ensuite en brûlant le
16
17
http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Bitume
10
combustible obtenu. C’est donc dire que le rendement est habituellement
négatif18.
Dans tous les cas les gisements de pétrole non conventionnel sont beaucoup plus
difficiles à exploiter que le pétrole conventionnel. Ne serait-ce que parce qu’ils
correspondent à des produits plus pâteux, voire même solides, et que dans la plupart des
cas ils sont incorporés à la roche avec une proportion minoritaire pour la partie
organique.
Ainsi, s'il est question d'huiles extra-lourdes, ou de sables bitumineux, il faut y injecter de
la vapeur sous pression dans le but de réchauffer et de fluidifier les hydrocarbures qui
sont solides ou sous forme de pâte, afin de leur permettre de sortir sous l’effet de la
pression de la vapeur. Ce qui implique de dédier à l'extraction quelques dizaines % de
l'énergie qui sera rendue par le produit extrait.
Le site http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html affirme
de plus que «s’il s'agit de schistes bitumineux, l'extraction du combustible s'apparente à
une activité minière, et le combustible peut ne représenter que quelques %, en poids, de la
roche qu'il imprègne.»19. À un point tel que certains géologues recommandent même de
ne pas les considérer dans l'inventaire.
Conclusion
Ce travail a permis de mieux connaître le pétrole, sa formation, sa composition, son
histoire et les différentes façons de l’extraire. Grâce à cette recherche documentaire,
l’origine du pétrole a été quelque peu démystifiée, ainsi que la façon dont les gisements
de pétrole se forment en trois grandes étapes. L’histoire du pétrole qui a été vue a révélé
que le pétrole est connu et utilisé depuis la plus haute antiquité. Il est aussi désormais
possible de connaître plus spécifiquement quelles sont les réserves de pétrole ainsi que
les principaux pays producteurs et pays consommateurs de pétrole. Aussi, les différentes
façons d’extraire le pétrole en fonction des hydrocarbures exploités ont été exposées.
Pour plus d’information sur le pétrole, il est possible de consulter les autres recherches
documentaires qui ont été faites, sur le même site http://mosaique.cstfelicien.qc.ca/ qui
contient ce travail.
18
19
http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html
http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html
11
Médiagraphie
http://www.manicore.com/documentation/petrole/formation_petrole.html, 20
octobre 2010
http://fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9trole, 20 octobre 2010
http://samuel.benoit.online.fr/fr/petrole-formation-gisements-roche-merekerogene-brut-lourds-non-conventionnels-sables-bitumineux-baril, 20 octobre
2010
http://fr.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9rog%C3%A8ne, 20 octobre 2010
http://fr.wikipedia.org/wiki/Calfatage, 23 octobre 2010
http://prixdubaril.com/, 23 octobre 2010
http://www.ladocumentationfrancaise.fr/dossiers/petrole/principaux-producteursconsommateurs-petrole.shtml, 23 octobre 2010
http://fr.wikipedia.org/wiki/Bitume, 24 octobre 2010
http://mosaique.cstfelicien.qc.ca/
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