pétrole. 1 PRÉSENTATION pétrole, liquide brun plus ou moins visqueux d'origine naturelle, mélange complexe d'hydrocarbures, principalement utilisé comme source d'énergie. Le pétrole contient des hydrocarbures saturés, à chaînes linéaires, ramifiés ou cycliques, ainsi que des traces de soufre, d'azote, d'oxygène, d'eau salée et de métaux (fer, nickel). On le trouve en grandes quantités dans des gisements enfouis sous la surface des continents ou au fond des mers. 2 HISTORIQUE Les dépôts de surface de pétrole brut sont connus depuis très longtemps. La Bible mentionne le bitume, employé pour recouvrir l'arche de Noé. Le pétrole, remonté à la surface sous forme de suintement de bitume, était utilisé par les peuples de Mésopotamie, il y a plus de trois mille ans, comme mortier dans la construction des remparts, pour le calfatage des coques des navires et pour assurer l'étanchéité des citernes et conduites d'eau, comme source d'énergie et même comme médicament. Connues depuis l'Antiquité, les utilisations du pétrole à des fins médicinales se sont développées dès le XVe siècle. On attribuait alors au pétrole toutes les vertus. Au Moyen Âge, on utilisait des sortes de grenades en terre cuite remplies de pétrole et de salpêtre, appelées « feux grégeois «, qui furent la hantise des marins : lancées d'un navire, elles explosaient en laissant échapper le pétrole, qui s'enflammait, se répandait sur l'eau et propageait le feu aux autres navires. La révolution industrielle entraîna la recherche de nouveaux combustibles ; les bouleversements sociaux qu'elle occasionna créèrent le besoin d'un pétrole peu onéreux et de bonne qualité pour les lampes. Toutefois, l'huile de baleine n'était accessible qu'aux riches, les bougies de suif avaient une odeur désagréable et les becs de gaz n'existaient que dans les maisons et appartements modernes des zones urbaines. La recherche d'un meilleur combustible de lampe entraîna une forte demande d'« huile de roche « -- c'est-à-dire de pétrole brut -- et, vers le milieu du XIXe siècle, de nombreux scientifiques mirent au point des procédés permettant d'en faire un usage commercial. C'est ainsi que James Young, en Angleterre, commença à fabriquer différents produits à partir de pétrole brut, mais il s'orienta par la suite vers la distillation du charbon et l'exploitation des schistes bitumeux. Le physicien et géologue canadien Abraham Gessner déposa, en 1852, un brevet pour obtenir, à partir du pétrole brut, un combustible peu onéreux pour lampe, brûlant sans résidu, appelé pétrole lampant ; en 1855, le chimiste américain Benjamin Silliman publia un rapport indiquant la gamme de produits utiles pouvant être obtenus par distillation du pétrole. C'est ainsi que débuta la recherche de plus importantes sources d'approvisionnement en pétrole brut. On savait que les puits creusés pour l'eau et le sel présentent parfois des infiltrations de pétrole. L'idée de forages pétroliers fit donc naturellement son chemin. Les premiers puits furent forés en Allemagne, en 1857. L'initiative qui rencontra le plus grand retentissement fut cependant celle d'Edwin L. Drake, le 27 août 1859, à Titusville, en Pennsylvanie. Drake procéda à des forages pour trouver la « nappe mère «, origine des affleurements de pétrole de Pennsylvanie occidentale. Si Drake ne put extraire qu'un pétrole d'écoulement aisé et facile à distiller et si le puits était peu profond -- 23 m seulement --, sa réussite n'en marquait pas moins le début de l'industrie pétrolière moderne. Cette découverte déclencha une véritable ruée vers l'« or noir «. Depuis, on a découvert du pétrole sur tous les continents, sauf en Antarctique. Le pétrole fit rapidement l'objet de toute l'attention de la communauté scientifique, et des hypothèses cohérentes furent émises quant à sa formation, sa remontée à travers les couches terrestres et son emprisonnement. Avec l'invention de l'automobile, en 1880, et les besoins en énergie issus de la Première Guerre mondiale, l'industrie du pétrole devint l'un des fondements de la société industrielle. 3 FORMATION ET ACCUMULATION 3.1 Le kérogène Le pétrole s'est formé sous la surface de la Terre à la suite de la décomposition d'organismes marins. Il y a plusieurs millions d'années, d'innombrables végétaux, micro-organismes et espèces planctoniques, vivaient dans les océans. Lorsque les générations successives mouraient, leurs restes se déposaient au fond des océans. Pendant des millions d'années, ils s'accumulèrent et se mélangèrent à la boue et au limon, pour former des couches de sédiments riches en matières organiques, le kérogène. L'accumulation continue de sédiments enfouit ces couches organiques à de grandes profondeurs ; sous l'effet de la compression, celles-ci se transformèrent en roches qui devinrent des réservoirs de pétrole. Les roches contenant la matière première du pétrole sont appelées « roches mères «. L'épaisseur de ces couches sédimentaires augmentant, la température s'éleva, entraînant une transformation des matières organiques d'origine en substances plus simples, les hydrocarbures, composés de carbone et d'hydrogène. Ainsi se constitua le pétrole. 3.2 Migration et pièges Le pétrole, léger, a naturellement tendance à remonter vers la surface. Lorsque cela est possible, il s'échappe sous forme de suintements. 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. Lorsqu'il rencontre une couche de roche imperméable, une accumulation se forme. Le plus courant des « pièges à pétrole « est l'anticlinal, qui résulte du plissement convexe de roches stratifiées. Sous le dôme ainsi formé, on peut trouver du pétrole, prisonnier d'une couche rocheuse imperméable. Le gaz s'amasse à la partie supérieure, tandis que la roche réservoir située sous le pétrole est remplie d'eau. Si l'on fore un puits pour percer la roche imperméable, on peut alors ramener le pétrole à la surface. L'exploration pétrolière consiste essentiellement à repérer les sites susceptibles, de par leur structure géologique, de retenir du pétrole ou du gaz. 3.3 Réserves L'estimation des réserves de pétrole et de gaz naturel dans le monde est l'objet de discussions continuelles. Il n'existe pas de définition des réserves admise par tous. Cependant, les experts retiennent généralement quatre catégories. 3.3.1 Les réserves prouvées Les réserves prouvées correspondent aux quantités d'hydrocarbures récupérables avec une quasi-certitude, à partir de réservoirs connus, forés aux conditions économiques et technologiques du moment. À la fin de l'année 1995, les réserves prouvées atteignaient 137,4 milliards de t, soit l'équivalent de quarante-cinq ans de production au rythme actuel. Le Proche-Orient possède 65,5 p. 100 des réserves mondiales, l'Amérique latine, 12,8 p. 100, l'Europe, 7,4 p. 100, l'Afrique, 7,3 p. 100, l'Extrême-Orient, 4,4 p. 100 et les États-Unis, 2,7 p. 100. Au total, la part de l'OPEP atteignait 77,2 p. 100 du total mondial au début de 1996. 3.3.2 Les réserves probables et les réserves possibles Les réserves probables sont les quantités potentiellement récupérables des réservoirs connus. Les réserves possibles sont les quantités d'hydrocarbures susceptibles d'être découvertes à partir de réservoirs encore inconnus, et extraites à des conditions techniques et économiques envisageables pour les trente années à venir. 3.3.3 Les réserves ultimes Les réserves ultimes sont constituées par l'addition des réserves prouvées, probables et possibles. Des études récentes évaluent ces réserves à 215 milliards de t de pétrole brut, et à environ 278 000 milliards de m 3 de gaz naturel. 3.3.4 Les réserves non conventionnelles Les réserves non conventionnelles correspondent aux schistes bitumineux, aux sables asphaltiques et aux pétroles extra-lourds. Le potentiel théorique de ces réserves est de l'ordre de grandeur des réserves précédentes. Les réserves de pétroles extra-lourds et de sables asphaltiques ont été estimées, au congrès mondial de Buenos Aires en 1991, à environ 176 milliards de t, réparties principalement entre le Canada, la CEI et le Venezuela. Le risque à court terme de pénurie physique est donc à écarter. Il faut néanmoins apporter une attention soutenue au renouvellement des réserves mondiales et surtout à leur répartition géographique. Les derniers événements de la guerre du Golfe ont rappelé le caractère stratégique de cette matière première dans les économies modernes. 4 INDUSTRIE DU PÉTROLE 4.1 Exploration Pour trouver le pétrole brut sous la surface de la Terre, les géologues doivent rechercher un bassin sédimentaire dans lequel le pétrole et le gaz ont pu se former. Ces derniers doivent en outre avoir eu la possibilité de migrer à travers des porosités capables de retenir de grandes quantités de liquide. L'apparition du pétrole brut dans la croûte terrestre est limitée par ces deux conditions, qui doivent être remplies simultanément, en plus des dizaines de millions d'années nécessaires à sa formation. Aux premiers temps de l'industrie pétrolière, la prospection était très aléatoire. Sauf quand le pétrole affleurait à la surface, les puits étaient généralement forés sur la base de vagues présomptions, et les résultats étaient bien souvent décevants. Aujourd'hui, l'exploration pétrolière est devenue une activité beaucoup plus scientifique, mais malgré les techniques modernes et la haute qualification des géologues et géophysiciens, il s'agit toujours d'une activité très incertaine. En effet, la surface de la Terre a connu une histoire complexe, faite de déplacements de continents et d'océans entiers, de puissants mouvements tectoniques donnant naissance à des chaînes montagneuses. Toutefois, les géologues et les géophysiciens disposent de plusieurs outils pour identifier les zones potentielles de forage. Dans une première phase, l'équipe de recherche étudie toutes les informations géologiques et géographiques recueillies sur une zone et établit des cartes détaillées. La photographie aérienne est souvent utilisée ; actuellement, on se sert davantage de l'imagerie par satellite. Certaines zones sont ensuite sélectionnées en vue d'une étude plus détaillée. Les géologues étudient les affleurements rocheux et analysent des échantillons de roches et les fossiles qu'ils contiennent pour déterminer leur origine et leur âge. Des études géophysiques fournissent des informations complémentaires sur les formations rocheuses situées au-dessous de la surface. Ces études incluent des mesures de la gravité et du champ magnétique, car ces paramètres sont affectés par les différents types de roches qui composent l'écorce terrestre et par leur répartition. Les études sismiques fournissent des informations extrêmement précieuses. Cette méthode consiste à envoyer dans le sol des ondes sonores, réfléchies par les différentes surfaces rocheuses. On mesure alors le temps que mettent les ondes pour revenir à la surface. Ces études peuvent également indiquer la nature des roches, car des roches différentes auront des vitesses de transmission différentes. On peut produire ces ondes sismiques en faisant exploser une charge de dynamite à quelques mètres de profondeur, à l'aide de camions vibrateurs ou bien encore de décharges d'air comprimé en mer. Les études sismiques les plus complexes sont les études tridimensionnelles, qui permettent, grâce à une meilleure connaissance du sous-sol, la découverte de pièges complexes ou de petite taille et un plus grand taux de réussite en matière de forage d'exploration. Les données enregistrées sont traitées par des ordinateurs puissants qui donnent une image tridimensionnelle, très précise, des formations rocheuses et de la structure du sous-sol dans la zone étudiée. Malgré toutes ces techniques sophistiquées, seul un forage permettra de confirmer la présence de pétrole. 4.2 Forage Le premier puits foré dans une zone est appelé « puits d'exploration «. Si l'on découvre du pétrole, d'autres puits sont forés pour délimiter le gisement. Ce sont des « puits d'évaluation «. Si le gisement est exploité, certains de ces puits peuvent être utilisés comme puits de production. La plupart des puits de pétrole ont été forés par rotation d'un outil, le trépan. Un train de tiges de forage supporté par une tour métallique, le derrick, est mis en rotation par la table de rotation (procédé rotary). À son extrémité, le trépan, outil de coupe muni de dents en acier et parfois en diamant, permet de percer les roches les plus dures. La boue de forage, un mélange particulier d'argile, d'eau et de produits chimiques est injectée en permanence à l'intérieur des tiges pour ressortir par le trépan et remonter à la surface par l'espace annulaire compris entre les tiges et les parois du trou. La circulation de la boue refroidit le trépan et permet d'évacuer les débris de forage. À la surface, la boue est filtrée et réinjectée. L'analyse des débris fournit des informations précieuses sur la nature et la composition des roches traversées. La vitesse de forage peut varier de 25 cm/h à 50 m/h selon la dureté de la roche. Avant de mettre un gisement en exploitation, on évalue la rentabilité économique du projet, qui dépend des coûts de production, de la proximité des marchés potentiels et de la qualité du pétrole brut. Le coût de production d'une tonne de pétrole brut peut varier dans un rapport de 1 à 50. Une fois la rentabilité économique du projet validée, on peut démarrer la production. 4.3 Production En 1995, la production de pétrole brut mondiale a atteint 3 234,6 millions de tonnes. Cette même année, la France a importé plus de 80 millions de t de pétrole brut. La production de pétrole brut extrait du sol national s'est élevée à 2,5 millions de t. 4.3.1 Récupération naturelle Après avoir démonté les derricks, on équipe la tête de puits d'un jeu de vannes appelé « arbre de Noël «, destiné à contrôler le débit du pétrole. Lorsque la différence de pression est suffisante, le pétrole remonte naturellement vers la surface. Le plus souvent, il est nécessaire d'installer des pompes à balancier. Cette extraction dite « primaire « permet de récupérer de 20 à 30 p. 100 du pétrole présent dans le réservoir. Le pétrole est ensuite acheminé à une station de traitement, où il est débarrassé de l'eau, du gaz et des impuretés qu'il contient. 4.3.2 Récupération assistée La récupération de type « secondaire « est obtenue par l'injection, au moyen de puits spéciaux, de fluides tels que le gaz extrait du puits associé au pétrole et fortement comprimé ou du gaz de pétrole liquéfié (butane / propane) ou encore de l'eau, cette dernière pratique étant courante, mais moins efficace. La récupération de type « tertiaire « agit sur les caractéristiques physiques du pétrole. On peut employer des méthodes thermiques, des méthodes par entraînement par fluide miscible, des méthodes chimiques ou des méthodes de forage. Les méthodes thermiques consistent à réduire, par la chaleur, la viscosité du pétrole pour faciliter sa migration dans les roches poreuses. On l'obtient par injection de vapeur ou par combustion souterraine. Pour l'entraînement par fluide miscible, on utilise le gaz carbonique ou des hydrocarbures légers (butane / propane). Dans les méthodes chimiques, l'objectif est de réduire les forces capillaires qui contribuent à retenir les hydrocarbures dans la roche. On utilise des polymères ou des « microémulsions « (mélange d'huile, d'eau, d'alcool et de tensioactifs). Les progrès dans les outils et les techniques de forage sont aussi mis à profit. On peut citer, à titre d'exemple, le forage en petit diamètre (slim hole), le forage dévié, appelé aussi forage horizontal, et le forage multidrains, qui permettent de réaliser des architectures de puits de plus en plus complexes. 4.3.3 Production en mer On estime que 30 p. 100 du pétrole produit dans le monde provient des gisements en mer (gisements offshore). La première plate-forme de forage en mer a été construite en 1947, dans le golfe du Mexique, par 7 m de profondeur. Aujourd'hui, il existe des plates-formes ancrées au fond de la mer par 400 m de profondeur. Elles pèsent des milliers de tonnes et peuvent accueillir des centaines de techniciens. Pour les plus petits gisements, on a mis au point des systèmes de production flottants. Ce sont des navires qui sont utilisés pour traiter et stocker le pétrole provenant de tubes prolongateurs qui relient le fond à la surface. Avec les systèmes de production sous-marine, le pétrole est acheminé par des collecteurs qui courent au fond de la mer jusqu'à la plate-forme d'un gisement voisin. Voir aussi Forage, plate-forme de. 4.4 Transport du pétrole brut Le pétrole brut est acheminé vers les raffineries par oléoduc (pipeline) ou par navire. Le pétrole représente près de la moitié du commerce maritime mondial et on trouve des réseaux d'oléoducs sur la plupart des continents. 4.4.1 Par navire À l'origine, le transport du pétrole s'effectuait dans des barils en bois que l'on chargeait dans les cales des navires. Le baril (159 l) est d'ailleurs encore l'unité de mesure utilisée. Ensuite, on eut l'idée de construire des navires qui étaient des réservoirs flottants : les pétroliers. La principale caractéristique d'un pétrolier est le compartimentage en citernes séparées, ce qui autorise le transport de différents types de pétrole et participe à la stabilité du navire. L'ensemble des aménagements et des machines est installé à l'arrière du navire pour des raisons évidentes de sécurité. L'équipage est constitué d'environ 25 hommes dont la vie se déroule à l'arrière dans la partie appelée « château «. Les plus grands pétroliers peuvent transporter jusqu'à 400 000 tonnes de pétrole brut du golfe Persique à l'Europe, après avoir contourné l'Afrique, en trente jours. Voir Pétrolier. 4.4.2 Par oléoduc La solution la plus simple et la plus sûre pour transporter un liquide est le tuyau. Dans l'industrie pétrolière, on l'appelle oléoduc ou pipeline. Néanmoins, l'installation d'un oléoduc est coûteuse : dans des conditions difficiles, le coût d'un kilomètre peut être aussi élevé que celui de la construction d'un kilomètre d'autoroute. Les oléoducs de pétrole brut ont souvent un diamètre supérieur à un mètre. Des stations de pompage sont installées à intervalles réguliers permettant ainsi de maintenir une vitesse d'acheminement de 5 km/h. 4.5 Raffinage L'objectif du raffinage est de transformer par des opérations physico-chimiques des pétroles bruts d'origines diverses en carburants, combustibles, lubrifiants, bitumes et de plus en plus en produits de base pour la pétrochimie. Le commerce international porte sur plus de 100 qualités de pétrole brut différentes. 4.5.1 Distillation Le procédé de base du raffinage est la distillation atmosphérique. Le pétrole brut est tout d'abord chauffé dans un four à 370 °C, où il se vaporise partiellement, et est amené dans la tour de distillation, appelée aussi colonne de fractionnement. Les fractions les plus légères sont en haut de colonne. Il s'agit du gaz de raffinerie, qui sera utilisé sur place comme combustible. Parmi les autres fractions légères, on trouve le butane et le propane, les essences et le naphta, qui est la matière première de la pétrochimie. Ensuite vient le kérosène utilisé dans les moteurs à réaction, le gazole et le fioul domestique. Les produits lourds -- les résidus -- sont soutirés en bas de la colonne, puis redistillés sous vide pour permettre l'obtention des fiouls lourds, des lubrifiants et des bitumes. Pour satisfaire aux besoins du marché actuel, il faut obtenir de plus grandes quantités d'essences avec des indices d'octanes élevés. D'autre part, on doit diminuer la teneur en soufre des gazoles ( voir Carburants). Il est alors nécessaire de procéder à des traitements de conversion des produits issus de la distillation. 4.5.2 Craquage et reformage Le craquage consiste à fractionner les grosses molécules des fractions lourdes en molécules plus petites. Dans le craquage thermique, la transformation des molécules est effectuée par l'action de la chaleur. Le craquage catalytique permet de décomposer les fractions lourdes en présence d'un catalyseur, qui active la rupture des liaisons entre les atomes de carbone. L'hydrocraquage consiste à faire agir de l'hydrogène à forte pression (de 50 à 150 bars) et à des températures allant de 250 à 400 °C. Enfin, au cours du vapocraquage, les réactions ont lieu en présence d'eau à très haute température (de l'ordre de 900 °C). Voir aussi Craquage. Le reformage permet de convertir le naphta ou les essences provenant de la distillation en des essences de qualité supérieure, à haut indice d'octane. Ce procédé permet aussi d'obtenir des bases pour la pétrochimie. 4.5.3 Autres procédés Il existe d'autres procédés de raffinage, comme l'isomérisation et l'alkylation, qui permettent d'obtenir des essences à indice d'octane élevé, indispensable pour les essences sans plomb. Les produits subissent d'autres traitements permettant d'agir sur leur couleur, leur stabilité, leur odeur (élimination des mercaptans) et leur teneur en hétéroatomes, comme le soufre et l'azote. 5 UTILISATIONS ET IMPORTANCE DU PÉTROLE On emploie le pétrole comme matière première dans l'industrie chimique et dans la production de carburants. Le pétrole et ses dérivés sont utilisés dans la production de médicaments, de produits agrochimiques et alimentaires, de matières plastiques, de matériaux de construction, de peintures et de fibres synthétiques, de détergents et de caoutchouc, ainsi que dans la production électrique. En fait, notre civilisation industrielle moderne dépend du pétrole et de ses dérivés ; la structure physique et le mode de vie des communautés urbaines entourant les grandes villes sont le résultat d'un approvisionnement en pétrole à grande échelle et peu coûteux. C'est la première source d'énergie mondiale ; il fournit près de la moitié de la demande totale d'énergie primaire. Voir aussi Nucléaire, énergie ; Solaire, énergie. Le pétrole est devenu une arme politique, comme l'ont démontré les deux chocs pétroliers des années 1970 (voir Crise économique). L'offre et la demande de pétrole, son prix, les solutions de remplacement et les économies d'énergie sont des questions constamment débattues. Les taxes qui frappent la production du brut et la vente des produits pétroliers participent de façon importante au budget des États. À titre d'exemple, la taxe intérieure sur les produits pétroliers est la troisième ressource fiscale de la France. Voir aussi Hydrocarbures, pollution par les. 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