Pétrole: origine, production et traitement

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Union Pétrolière
Pétrole: origine, production et traitement
Long parcours
Le pétrole s’est formé au cours de millions d’années. Avant de le transformer en
produits indispensables à la vie moderne, il faut le transporter sur de très longues
distances. La présente brochure met en relief la formation du pétrole, son extraction, transport et raffinage.
Formation du pétrole
4
Au fond de la Terre
6
Réserves mondiales de pétrole
8
Trouver et extraire du pétrole
10
Transport sur terre et sur mer
16
Traitement et raffinage du pétrole
18
2
3
Formation du pétrole
Le pétrole, dont les réserves déterminent notre quotidien, s’est formé, il y a 20 à 350
millions d’années, dans les bassins sédimentaires peu profonds des océans. Les plus
anciens gisements connus remontent à quelque 500 millions d’années, les plus récents à 4000 ans à peine. A cette époque, comme de nos jours, des micro-organismes
animaux et végétaux - le plancton - flottaient dans les couches supérieures des
étendues d’eau car la lumière est indispensable à leur survie. Lorsqu’ils mouraient,
leurs restes se déposaient au fond des océans, où ils se sont accumulés et mélangés
aux boues sous-marines pour former des couches de sédiments riches en matières
organiques.
Précambrien
500
440
410
Mésozoïque
360
290
250
210
Epoque glaciaire
Humains
Extinction
des dinosaures
Végétaux
dicotylédones
Mammifères
Oiseaux
Dinosaures
Reptiles
Paléozoïque
570
4600
Insectes
Poissons
Végétaux terrestres
Vertébrés
Articulés
Premiers microorganismes
Genèse
du monde
Périodes de la formation du pétrole
Mélange complexe
Dans les fonds marins, pauvres en oxygène, les restes de plancton ne pouvant plus se
décomposer se sont transformés, au cours des millénaires, en un mélange complexe
d’hydrocarbures: le pétrole. Cette transformation n’a été possible que par des processus chimiques et biologiques continuels, à des températures de 65°C à 120°C et sous
forte pression.
Cénozoïque
140
65
2
Millions d’années
Formation du pétrole
Roche-magasin
Les minéraux des boues abyssales se sont solidifiés en roche poreuse, où le plancton
a pu se transformer. La roche-magasin est un ensemble de couches géologiques imprégnées d’hydrocarbures. C’est pourquoi, le pétrole se présente toujours emprisonné
dans des formations rocheuses, et jamais sous forme d’un lac souterrain.
Formation du pétrole
1
Eau
2
Micro-organismes
Sédiments
3
Pétrole
1
Dépôt de micro-organismes, recouvert de matériaux imperméables. Transformation
par des bactéries anaérobies
2
Tassement et solidification des couches de sédimentation. Autre transformation sous
l’effet de la pression et de l’élévation de la température
3
Plissement des couches de sédimentation. Migration et sédimentation de gaz, d’huile
et d’eau
Gaz naturel
4
5
Au fond de la Terre
Le pétrole ainsi formé, d’une densité plus faible que la formation rocheuse environnante, cherche naturellement à remonter vers la surface par les pores de la roche.
Parfois, il remonte à la surface et s’échappe sous forme de suintements de bitume.
De tels gisements pétrolifères étaient déjà utilisés par nos aïeux au début de notre
histoire.
Pièges à pétrole
Pièges à pétrole
Toutefois, en maints endroits, des couches de roche imperméable arrêtent la progression du pétrole. Et quand il ne peut s’échapper latéralement, le pétrole s’y accumule.
Ces formations géologiques s’appellent des pièges à pétrole.
2
1
3
1 Dôme de sel
2 Piège anticlinal
Pétrole
Gaz naturel
Couches aquifères perméables
Couches imperméables
Faille tectonique
Formation des anticlinaux
Les pièges à pétrole se sont formés au cours de l'orogenèse, où ces couches d'accumulation se sont plissées, soulevées, déchirées et disloquées. Le piège à pétrole
le plus caractéristique et le plus fréquent est l’anticlinal, où le plissement de la roche
a formé une voûte. Le pétrole s’accumule aussi dans des failles produites par des
cassures de l’écorce terrestre, ou autour des couches souterraines de sel. Un grand
nombre de ces gisements pétrolifères contiennent du brut recouvert de nappes de
gaz naturel.
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Réserves mondiales de pétrole
Les conditions géologiques les plus favorables à la formation du pétrole se sont présentées dans l’actuel Moyen-Orient, voilà plusieurs millions d’années. Deux tiers des
réserves connues se trouvent dans la péninsule d’Arabie. L’Arabie saoudite détient à
elle seule 36 milliards de tonnes de pétrole, soit près d’un quart des réserves mondiales.
Réserves de pétrole
Amérique du Nord (Mexique inclus)
6,4
Eurasie13,3
Autour du globe
D’autres gisements pétrolifères importants se trouvent en Irak, dans les Emirats arabes
unis, au Koweït et en Iran. L’Amérique du Sud (Venezuela et Mexique) recèle aussi d’énormes quantités de pétrole, de même que la région de la mer Caspienne et l’Afrique du
Nord (notamment la Libye et le Nigeria). De nombreux champs pétrolifères plus petits
se trouvent répartis dans le monde. Les réserves européennes se situent essentiellement en mer du Nord.
Extrême-Orient
5,2
Amérique du Sud
14,1
Afrique
10,3
Réserves traditionnelles et non traditionnelles
Les réserves de pétrole se répartissent en deux groupes. On désigne par réserves
traditionnelles, les gisements exploitables économiquement à grande échelle, par les
techniques actuelles. La plupart des gisements du Moyen-Orient appartiennent à ce
groupe. Le pétrole des gisements non traditionnels est visqueux ou fixé dans la roche;
l’extraire engendre des coûts très élevés. Le continent américain dispose d’énormes
réserves pétrolières non traditionnelles sous forme de sables asphaltiques, schistes
bitumineux et d’huile lourde.
Moyen-Orient
93,4
en milliards de tonnes (2003)
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9
Trouver et extraire du pétrole
La recherche du pétrole est appelée exploration en jargon pétrolier. Les géologues
disposent de techniques modernes pour déceler les formations rocheuses susceptibles de contenir du pétrole.
Etudes sismiques
Etudes sismiques
Aujourd’hui, les études sismiques constituent la plus importante méthode de recherche du pétrole. On sait que les ondes sismiques se propagent à des vitesses différentes
selon la constitution du sol. Comme les ondes du son ou de la lumière, les ondes sismiques sont réfractées ou réfléchies lorsqu’elles passent d’une formation rocheuse à
une autre.
Etudes sismiques
3
1
2
2
2
2
La méthode sismologique consiste à envoyer dans le sol des vibrations sous forme
de minuscules tremblements de terre. Les ondes sismiques réfractées et réfléchies
sont enregistrées par des géophones, appareils de mesure ultrasensibles. Des ordinateurs performants traitent les données et fournissent une image tridimensionnelle du sous-sol géologique.
Forages d’exploration
Au cours des cinquante dernières années, des méthodes modernes de recherche
géologique ont nettement augmenté les chances de découvrir de nouveaux champs
pétrolifères. Mais seul un forage d’exploration peut révéler si la structure rocheuse
«présumée» contient effectivement des hydrocarbures.
1 Vibrateur
2 Géophone
3 Véhicule d’enregistrement des mesures
En cas de forage concluant, il faut évaluer l’étendue, la qualité et le rendement
du gisement découvert. On ne procédera aux premiers forages de production que
si l’exploitation commerciale du gisement est établie.
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Trouver et extraire du pétrole
Technique de forage
Technique de forage
1
La plupart des puits sont forés verticalement au moyen d’un trépan suspendu à un train
de tiges de forage. La tige qui se trouve au niveau du sol est mue par la table de rotation
qui met en mouvement le trépan. A une certaine profondeur, on met en place les tubes
de cuvelage pour stabiliser le forage.
2
La pression du puits pourrait faire jaillir le pétrole et le gaz à la surface (blow-out).
C’est pourquoi, on équipe le forage d’un bloc d’obturation du puits (BOP), dispositif de
sécurité indépendant.
3
Un liquide de curage injecté dans le train de tiges ressort par les orifices du trépan et
remonte à la surface en entraînant les débris rocheux. Ces derniers donnent des indications sur la nature des roches traversées. Ce liquide refroidit et lubrifie en même
temps l’outil de forage et, par la pression qu’il exerce, prévient les infiltrations d’eau et
les fuites de pétrole.
4
Le liquide de curage remonté à la surface est alors débarrassé des déblais qu’il contient,
puis réinjecté dans le train de tiges.
Tour de forage
1
2
1
Table de rotation
Bloc d’obturation du puits
4
3
2
4
A
B
Les forages verticaux ou déviés atteignent aussi des gisements difficiles d’accès.
C
D
3
Curage
Circuit du liquide de curage
A
B
C
D
Curage contenant des débris
Tamis pour liquide de curage
Débris rocheux
Liquide de curage
Onshore et offshore
Une grande partie des gisements traditionnels ne se trouvent pas sur terre ferme «onshore», mais sous les mers peu profondes du plateau continental «offshore», comme
la mer du Nord ou le golfe du Mexique. Les forages offshore se font à partir de platesformes flottantes ou fixes, avec en principe les mêmes techniques que les installations
onshore. Elles sont cependant soumises à des conditions météorologiques plus sévères,
d’où une réalisation plus complexe et des investissements bien plus élevés. A la recherche de nouveaux gisements pétrolifères, les équipes de forage s’engagent toujours plus
dans des secteurs difficiles. Aujourd’hui, on effectue des forages pétroliers aussi bien
dans l’Arctique que dans les eaux profondes du golfe du Mexique.
Du pétrole en Suisse?
En Suisse aussi, on a procédé à une trentaine de forages pétroliers, notamment
dans la région du Mittelland. Ils n’ont rien donné et aucun gisement économiquement
exploitable n’a été découvert. Depuis le début des années quatre-vingt, l’exploration
pétrolière n’est plus d’actualité dans notre pays.
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Trouver et extraire du pétrole
Extraction par pression naturelle
L’exploitation varie d’un gisement à l’autre. Le pétrole fluide soumis à une forte pression et contenant de grandes quantités de gaz libéré, monte dans le trou du forage sans
aucune assistance. Dans les champs pétrolifères du Moyen-Orient, le pétrole remonte
le plus souvent à la surface naturellement sous l’effet de la pression, durant des années,
et sans intervention.
Systèmes d’extraction
Exploitation primaire
Extraction par pression naturelle
du gaz et de l’eau
Extraction au moyen de pompes
à balancier
Extraction par injection de gaz
Exploitation secondaire
Exploitation tertiaire
Extraction par injection d’eau
Extraction améliorée par injection de vapeur et adjonction
de produits chimiques
Pétrole
Gaz naturel
Couches aquifères perméables
Couches imperméables
Extraction au moyen de pompes
Avec le temps, toutefois, la pression faiblit. Dès que le pétrole ne remonte plus de luimême, on utilise des pompes. C’est l’image de pompes à balancier, appelées pompes
d’alimentation alternatives, ressemblant à des «têtes de chevaux» (voir illustration)
dont le mouvement lent, de haut en bas, caractérise la production pétrolière dans le
monde.
Extraction par pression de gaz
De nombreux gisements de pétrole contiennent aussi du gaz naturel. Toutefois, la
commercialisation de ce gaz n’est pas toujours possible, notamment dans des lieux
de production retirés, où l’infrastructure nécessaire serait trop chère. On peut, en
revanche, utiliser le gaz disponible pour la production pétrolière en l’injectant dans
la roche autour du trou de forage. Le gaz se mélange alors au pétrole pour former
une légère mousse qui remonte à la surface sans autre assistance.
Extraction par pression hydraulique
Si la pression intérieure du puits continue de faiblir, on injecte de l’eau qui pousse le
pétrole encore disponible vers le haut, dans le trou du forage.
Extraction à l’aide de vapeur et de produits chimiques
Par injection de vapeur et adjonction de produits chimiques, on abaisse la tension
superficielle du pétrole afin qu’il se détache plus facilement de la roche, d’où un plus
grand rendement.
Epuisement du gisement
Malgré toutes ces astuces, le gisement s’épuisera, même si tout le pétrole n’a pu
être pompé, loin de là. Une grande partie du pétrole reste emprisonnée dans les pores
les plus fins de la roche. Malgré tous les moyens déployés, on ne peut extraire plus
de 50% du pétrole stocké dans la roche. Ce taux est cependant nettement supérieur
à celui d’il y a vingt ans où l’on devait se contenter de 25%.
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Transport sur terre et sur mer
Un long chemin reste encore à parcourir avant que le pétrole ne se présente sous forme de carburant ou de mazout. Son transport, des producteurs aux consommateurs,
s’étend sur des milliers de kilomètres autour du globe. Un forage moyen produit quelque
4000 tonnes de pétrole par an. Mais avant de transporter et traiter le pétrole, il faut
éliminer le gaz, l’eau salée et autres impuretés qu’il contient.
Oléoduc
Premier transport
On l’achemine ensuite généralement par oléoducs jusqu’aux raffineries ou au prochain
port pétrolier. Contrairement à une idée préconçue, l’oléoduc constitue le plus sûr des
moyens de transport du pétrole. Il présente toutefois un inconvénient: un coût de construction élevé et peu de flexibilité.
Transport maritime
Quelque 7400 pétroliers assurent l’acheminement du pétrole et des produits pétroliers
autour du globe. Les pétroliers géants «ultra large crude carriers», d’une capacité de
chargement jusqu’à 400 000 tonnes, relient les grands ports pétroliers de la péninsule
d’Arabie aux plus gros consommateurs des Etats-Unis et d’Asie orientale. Les «very
large crude carriers», d’une capacité jusqu’à 300 000 tonnes, et une multitude de petits navires-citernes approvisionnent le reste du monde. On différencie clairement les
navires qui transportent du pétrole brut (crude) de ceux destinés à l’acheminement
de produits pétroliers, comme l’essence et le gasoil (mazout et diesel) ou le fioul lourd.
Transport maritime
Transport sur route
Sécurité du transport
La sécurité des transports représente l’un des plus grands défis de l’industrie pétrolière. Même si des naufrages spectaculaires font régulièrement la une des médias, leur
taux d’accidents est extrêmement faible par rapport aux énormes quantités transportées. Des standards rigoureux pour la construction, l’entretien et l’exploitation des
navires-citernes sont nécessaires, pour assurer et améliorer la sécurité aussi à l’avenir. La responsabilité de la réglementation des standards de sécurité de la navigation
des pétroliers incombe à l’International Maritime Organization (IMO), organisation
spéciale rattachée à l’ONU.
Transport en Europe
Rotterdam est le plus important port de transvasement et de négoce de produits pétroliers d’Europe. De là, des pipelines ou des bateaux-citernes assurent le transport
jusqu’aux raffineries, alors que l’approvisionnement des consommateurs en produits
finis se fait par rail ou par route.
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Traitement et raffinage du pétrole
Eléments du pétrole brut
Pour obtenir la multitude de produits qui déterminent notre quotidien, le pétrole brut
doit être fractionné et raffiné. Le brut n’est pas un produit homogène, mais un mélange complexe d’hydrocarbures des plus divers, de faibles quantités de soufre et de traces d’oxygène, d’azote et de métaux.
Alcane = paraffines normales
Exemple octane (C8H18)
Iso-alcane = paraffines ramifiées
Exemple iso-octane (C8 H18)
Cyclo-alcane = cycloparaffines
Exemple cyclohexane (C6 H12)
Alcène = oléfines
Exemple pentène (C5H10)
Aromatiques
Exemple benzène (C6 H6)
Distillation à la raffinerie
A la raffinerie, ce mélange est chauffé à une température élevée, puis fractionné en différents liquides par distillation – même processus pour l’alcool obtenu par distillation
du vin ou du cidre. La distillation sépare le pétrole en diverses fractions, en fonction
de leurs différents points d’ébullition. On obtient ainsi du gaz liquéfié, de l’essence, du
kérosène, du gasoil (mazout et diesel), de l’huile de chauffage lourde (fioul lourd) et du
bitume. La distillation ne forme pas de nouvelles liaisons chimiques, mais fractionne
seulement le pétrole en produits distincts, dont les quantités respectives varient sensiblement selon le type de brut traité. C’est ce qu’on appelle la production liée, phénomène caractéristique de la fabrication des produits pétroliers.
Distillation atmosphérique
La première opération est la distillation atmosphérique du pétrole brut. Il est chauffé
et envoyé dans une colonne de distillation. La température ne doit pas excéder 350°C
afin de prévenir une décomposition des molécules d’hydrocarbures. Les hydrocarbures qui se dégagent montent dans la colonne en se refroidissant. Les fractions ont
chacune leur propre point d’ébullition. Celles qui se vaporisent en premier, à des températures inférieures à 350°C, montent en haut de la colonne à travers des plateaux
à clapets. Ce sont les fractions légères. A chaque étage de fractionnement, les produits obtenus sont soutirés par des conduites. Les gaz montent le plus haut, alors
que l’essence, le kérosène et le gasoil se condensent sur les plateaux inférieurs. Les
fractions les plus lourdes restent au fond de la colonne et forment un résidu
qu’on ne peut plus distiller, même à des températures très élevées.
Distillation sous vide
Pour pouvoir le traiter de nouveau, ce résidu est chauffé et envoyé dans une seconde
colonne, l’unité de distillation sous vide, dans laquelle on a créé un vide partiel. Ce procédé abaisse les points d’ébullition de quelque 100°C, ce qui permet de récupérer d’autres fractions. Toutefois, cette opération ne vaporise pas toutes les fractions du brut. Le
résidu de la distillation sous vide servira comme huile de chauffage lourde ou, selon la
qualité du brut utilisé, à la fabrication du bitume pour la construction des routes.
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Traitement et raffinage du pétrole
Schéma d’une raffinerie
Distillation
atmosphérique
Gaz
Polymérisation
Alcoylation
Essences
Pétrole
brut
Gaz liquéfiés
Unité de
séparation des gaz
Désulfuration
de l’essence
Unité de mélange
des essences
Essence pour
moteurs
Reformage
Distillat moyen
Désulfuration
du distillat moyen
Résidu de la
distillation
Craquage
thermique
Craquage
catalytique
Distillation
sous vide
Kérosène
Unité de mélange
du gasoil
Carburant diesel
Mazout
Unité de mélange
de fioul lourd
Huile lourde
Fabrication de
lubrifiants
Lubrifiants
Hydrocraquage
Gasoil
Résidu
sous vide
Fabrication
d’huile de base
Unité de fabrication
du bitume
Bitume
Soufre
Pétrole
brut
Distillation
Conversion:
Transformer
Reconstituer
Fragmenter
Séparer
Désulfurer
Mélanger
Craquage
Dans la vie de tous les jours, la demande porte essentiellement sur des produits légers,
comme les carburants et le mazout (appelé aussi huile de chauffage extra-légère HEL).
La demande d’huile de chauffage lourde (fioul lourd), en revanche, diminue d’année en
année, notamment en Suisse. D’où l’intérêt des raffineries d’augmenter la production
de produits légers. C’est pourquoi, de nombreuses raffineries modernes sont équipées d’une unité de craquage, procédé qui consiste à casser les grosses molécules
des fractions lourdes du résidu, en molécules plus petites à plus forte valeur ajoutée.
Trois procédés de craquage caractérisent les raffineries modernes: craquage thermique, craquage catalytique et hydroconversion.
Produits finis
Raffinage
Après les opérations de distillation et de craquage, commence le raffinage proprement
dit: l’élaboration des produits obtenus. Cela comprend, d’une part, la transformation
chimique des hydrocarbures en liaisons de plus haute valeur (conversion) et, d’autre
part, l’élimination de substances indésirables (par exemple le soufre). Le reformage
et l’isomérisation sont des procédés de modification de la structure moléculaire des
hydrocarbures. Ils sont utilisés, par exemple, pour améliorer l’indice d’octane, c’est-àdire renforcer la résistance de l’essence à la compression et à l’auto-allumage.
Désulfuration
La désulfuration des combustibles et des carburants profite à l’homme et l’environnement. En Suisse, l’Ordonnance sur la protection de l’air (Opair) limite les teneurs en
soufre de l’essence, du diesel, du mazout et du kérosène. Le soufre est un composant
naturel du pétrole. La teneur en soufre varie fortement selon la provenance du brut.
Les raffineries doivent désulfurer les produits afin de satisfaire aux valeurs prescrites
dont la limite s’abaisse constamment. L’opération de désulfuration consiste à transformer les composés du soufre en hydrogène sulfuré par hydrogénation catalytique. Les
fractions à traiter, mélangées à de l’hydrogène, passent, sous haute pression et haute
température, à travers un catalyseur où le soufre se combine avec l’hydrogène pour
donner de l’hydrogène sulfuré. Ce dernier est traité ensuite dans une autre installation
où l’on récupère le soufre, matière première pour l’industrie chimique. Aujourd’hui,
toutes les qualités d’essence et de diesel commercialisées en Suisse sont quasiment
exemptes de soufre.
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Le monde du pétrole – série de publications de l’Union Pétrolière
En tant qu’association de l’industrie pétrolière de Suisse, l’Union Pétrolière fournit
des informations sur le transport, le raffinage et l’utilisation de produits pétroliers.
Des exemplaires supplémentaires de cette brochure, de la documentation sur
d’autres thèmes, ainsi que la liste des publications sont disponibles auprès de
l’Union Pétrolière.
Editeur
Union Pétrolière, Löwenstrasse 25, 8001 Zurich
Tél. 01 218 50 10, Fax 01 218 50 11, [email protected], www.swissoil.ch
1e édition 2003
Copyright
L’utilisation du contenu de cette brochure est autorisée avec mention de la source.
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