Chapitre1 Géologie pétrolière

Telechargé par Samia Laifa
GEOLOGIE PETROLIERE
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1-Historique :
Le pétrole est connu et utilisé depuis la plus haute antiquité. Il forme des affleurements dans les lieux
où il est abondant en sous-sol ; ces affleurements ont été utilisés de nombreuses façons : calfatage des
bateaux, ciment pour le pavage des rues, source de chauffage et d'éclairage, et même produit
pharmaceutique. Sa distillation, décrite dès le Moyen Âge, donne un intérêt supplémentaire à ce
produit pour les lampes à pétrole. Enfin à partir de 1850, le pétrole fait l'objet d'une exploitation et
d'une utilisation industrielle. A partir de 1910, il est considéré comme une matière première
stratégique, à l'origine de la géopolitique du pétrole. La période 1920-1970 est marquée par une série
de grandes découvertes de gisements, particulièrement au Moyen-Orient, qui fait l'objet de toutes les
convoitises. Les marchés des produits pétroliers se développent également ; outre les carburants
comme l'essence, le gazole et le fioul lourd, qui accompagnent l'essor des transports dans leur
ensemble, l'industrie pétrolière génère une myriade de produits dérivés (plus que 2000 produits), au
nombre desquels les matières plastiques, les textiles et le caoutchouc artificiels, les colorants, les
intermédiaires de synthèse pour la chimie et la pharmacie. Ces marchés permettent de valoriser la
totalité des composants du pétrole.
La période 1973-1980 marque l'histoire du monde avec les premier et deuxième chocs pétroliers. A
partir de 1985, le contre-choc pétrolier voit le prix du baril s'effondrer, avec un certain gaspillage des
ressources qui durera une vingtaine d'années. En 2003, le prix du baril remonte, en dépit d'une
production toujours assurée et d'une relative paix mondiale, à cause de la spéculation sur les matières
premières en général ; quand cette spéculation s'arrêtera brutalement en 2008, le prix du baril suivra
cette évolution spectaculaire.
2-Définition de pétrole :
Le pétrole est un liquide huileux, inflammable, dont la couleur varie du jaune clair au noir,
qui se compose d'hydrocarbures très divers et que l'on trouve dans les couches sédimentaires de
l'écorce terrestre. C’est un mélange, en proportions variables, d'hydrocarbures solides, liquides ou
gazeux dans les conditions normales, qui se présentent à l'état naturel, sous pression et température
plus ou moins élevées, dans les gisements.
C'est un combustible fossile composé d'un mélange d'hydrogènes, en majorité des paraffines. La
composition varie d'un champ à l'autre mais il comporte grossièrement 80 % de carbones, 11 %
d'hydrogène et 1 à 2 % de soufre, d'oxygène et d'azote. Huile minérale, ou bitume naturel, rencontrés
dans la nature."
3-Composition chimique de pétrole :Les hydrocarbures se divisent du point de vue chimique en trois
grandes familles :
les hydrocarbures saturés : alcanes et paraffines.
les hydrocarbures non saturés : naphténo-aromatiques et aromatiques.
les résines et asphaltènes.
4-La Genèse de pétrole :
Le pétrole est un produit de l'histoire géologique d’une région, et particulièrement de la succession
de trois étapes suivants:
Accumulation de matière organique
Maturation de la matière organique en hydrocarbures
Immigration et Piégeage des hydrocarbures
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4-1-Accumulation de matière organique
En règle générale, la biosphère recycle la quasi-totalité des sous-produits et débris. Cependant, une
petite minorité de la matière « morte » sédimente, c’est-à-dire qu’elle s'accumule par gravité et est
enfouie au sein de la matière minérale, et dès lors coupée de la biosphère. Ce phénomène concerne des
environnements particuliers, tels que les endroit confinés (milieux paraliques : lagunes, deltas…),
surtout en milieu tropical et lors de périodes de réchauffement climatique intense (comme le silurien,
le jurassique et le crétacé), le volume de débris organiques excède la capacité de « recyclage » de
l’écosystème local. C’est durant ces périodes que ces diments riches en matières organiques (surtout
des lipides) s’accumulent.
4-2-Maturation de la matière organique en hydrocarbures
Au fur et à mesure que des couches de sédiments se déposent au-dessus de cette strate riche en
matières organiques, la « roche-mère » ou « roche-source », croît en température et en pression. Dans
ces conditions, la matière organique se transforme en kérogène.
Le kérogène est la substance intermédiaire entre la matière organique et les combustibles fossiles.
Charbon, gaz et pétrole, se sont formés à partir d'organismes vivants (algues, plancton, végétaux
continentaux...) qui ont vécu au cours des temps géologiques (du Cambrien au Tertiaire).Cette
formation est l'aboutissement d'un long processus de sédimentation qui nécessite une succession de
phases bien particulières :
*Etape 1 : formation d'un composé solide appelé kérogène : Tous les sédiments formés, s'ils sont
minéraux en apparence, comportent une fraction de matière organique (1 % en moyenne), qui se
retrouve « piégée » dans le sédiment minéral en formation. Cette fraction organique subit une première
transformation par les bactéries en début de sédimentation, et conduit à la formation d'un composé
solide appelé kérogène, disséminé - vu sa faible proportion : de simples petits filets dans la partie
minérale. Cette dernière s'appellera la « roche mère ».Bien qu'il ne soit présent qu'en faibles
proportions dans les sédiments en gle générale, le kérogène représente, à l'échelle de la planète, une
masse totale de 10 000 000 Gt (1 Gt = 1 milliard de tonnes). Seulement 0,1 % de ce kérogène (c’est-à-
dire un millième de la totalité de la matière organique sédimentée) forme le charbon (mais cela fait
encore 10.000 Gt !), le gaz et le pétrole représentent chacun 0,003 % du kérogène total en ordre de
grandeur (mais cela fait encore quelques centaines de milliards de tonnes).
La formation proprement dite du kérogène commence par la formation de la roche dite mère : il s'agit
initialement de boues dans lesquelles les molécules organiques sont présentes.
*Étape 2 : évolution du kérogène par un début de pyrolyse : De par la tectonique des plaques, les
sédiments s'enfoncent lentement dans le sol. De par la géothermie, la température ambiante augmente
alors progressivement (incidemment l'énergie géothermique résulte de la radioactivité naturelle des
roches terrestres). La vitesse d'enfouissement étant variable, la température de l'ensemble sédimentaire
augmente de 0,5 à 20° C par million d'années. À son tour, chaque petit filet de kérogène produit de
l'eau qui est parfois expulsée sous l'effet de la pression des couches situées au-dessus du sédiment.
Donc, à cette étape, les boues de sédimentation se solidifient en roches poreuses, dites roches
mères, pouvant se retrouver à plusieurs centaines de mètres de profondeur (jusqu'à trois kilomètres
pour les plus profondes), tandis que les matières organiques se transforment, en plusieurs phases,
en eau et kérogène.
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*Étape 3 : le kérogène subit une pyrolyse complète : À partir de 50 à 120 °C, le kérogène subit, en
anaérobie, une décomposition thermique : la pyrolyse. Dans un premier temps, cette décomposition
« extrait » l'eau et le CO2 du kérogène. Ensuite, les températures croissant continuellement, le
kérogène expulse des hydrocarbures liquides : le pétrole et le gaz "naturel". Chaque petit filet de
kérogène commence donc à produire des hydrocarbures. Plus le sédiment est profond (et donc plus
chaud), et plus la fraction de gaz est importante du fait d'une pyrolyse plus intense (en temps comme
en température), décomposant ainsi plus fortement le kérogène puis les hydrocarbures liquides eux-
mêmes. Il « suffit » de quelques millions d'années pour que le kérogène se transforme partiellement,
sous l'effet de la chaleur, en charbon ou pétrole, gaz, CO2 et eau.
C'est l'apparition du gaz, au fur et à mesure que le kérogène est porté à une température croissante
(résultant de l'enfouissement), qui finit par stopper la pyrolyse. La pression de gaz dans les petites
poches qui contenaient le kérogène initial augmente en effet dans les couches profondes (de plus en
plus chaudes), et lorsque cette pression devient suffisante pour vaincre « l'imperméabilité » de la roche
mère, la fraction liquide et la fraction gazeuse sont progressivement expulsées de la roche mère. L'âge
de la roche mère varie de 1 million à 1 milliard d'années au moment de la migration. Pour le pétrole,
l'âge le plus fréquent se situant aux alentours de 100 millions d'années.
*Étape 4 de l'évolution du kérogène : formation de combustibles :
a-Le charbon
Il est à une variété particulière de kérogène, qui se forme à partir de débris de végétaux dits
« supérieurs » (arbres, fougères, prêles, lycopodes ...). C'est un kérogène qui présente la caractéristique
d'être dominant dans le sédiment au lieu d'y être minoritaire. Le premier stade de sédimentation
conduit à la tourbe. Lors de l'enfouissement, la pyrolyse conduit ensuite à la formation de lignite, puis
de houille, puis d'anthracite, qui est du carbone presque pur, débarrassé de l'essentiel de son hydrogène
(et comme il s'agit d'un stade ultime de pyrolyse, l'anthracite est généralement le plus profond des
charbons). Comme pour les autres kérogènes, le charbon produit du pétrole et du gaz au cours de son
enfouissement, bien qu'en moindres quantités en ce qui concerne le pétrole. La formation de pétrole à
partir du charbon a lieu au stade houille, et le méthane formé s'appellera... le grisou.
b-Le pétrole
Chaque petit filet de kérogène a produit à peu près tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire (il ne
reste quasiment plus d'hydrogène dans le sédiment). Sous la pression du gaz, « la migration primaire »
commence.
Après avoir été expulsés de la roche mère, les hydrocarbures, le gaz et l'eau entament alors une
« migration secondaire » : ils « suintent » le long des couches perméables qui jouxtent les couches
de roche mère (laquelle est généralement peu perméable, comme il est expliqué ci-dessus), en se
dirigeant vers la surface sous l'effet de la pression des couches de sédiment situées au-dessus.
Ces fuites de pétrole sont fréquentes, et comme elles peuvent provenir soit de roches mères, soit de
réservoirs déjà formés dont l'étanchéité est rompue, elles ont servi longtemps de marqueurs pour
trouver des gisements, au début de l'exploration pétrolière.
Pour qu'existe un gisement exploitable d'hydrocarbures liquides, il faut qu'ils se « concentrent »
quelque part avant de parvenir au sol, ce qui, pratiquement, nécessite qu'ils soient arrêtés dans leur
remontée vers la surface par un « piège ». En pratique, ce piège est une nouvelle couche
imperméable formant le plus souvent une espèce « d'accent circonflexe » au-dessus de la roche
poreuse dans laquelle le pétrole circule. Il peut s'agir d'une couche de sel, de marne, etc. À cause
de leur densité respective, l'eau expulsée de la roche mère vient se loger en dessous du pétrole, et
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le gaz au-dessus. À ce stade, le pétrole est dit « conventionnel ». La roche qui contient le pétrole
s'appelle un réservoir.
Lorsque le kérogène a produit tous les hydrocarbures qu'il pouvait produire, cela signifie qu'il a
perdu tout son hydrogène. Il reste un composé proche du charbon, mais pas nécessairement
exploitable pour autant car il est toujours disséminé dans la roche mère à des teneurs inférieures à
1 % en moyenne.
Mais l'histoire de ce réservoir de pétrole ne s'arrête pas : pris dans le mouvement de tectonique des
plaques, il se trouve inexorablement entraîné vers les couches profondes de plus en plus chaudes. De
ce fait, le pétrole peut subir une nouvelle pyrolyse, (un peu l'équivalent d'une distillation en raffinerie)
qui va produire du gaz et une variété particulière de bitume (le pyrobitume) en quantités croissantes
avec le temps et la température.
c-Le gaz naturel
Si le réservoir, décrit ci-dessus, est bien étanche (d'argile, de glaise, ...), cette nouvelle plongée
entraîne la formation d'un gisement essentiellement gazier. Si le réservoir est insuffisamment étanche,
le gaz s'échappe et il ne reste que les bitumes (ou asphaltes) dans les porosités de la roche réservoir.
Ceci explique pourquoi, dans les bassins sédimentaires, les réservoirs de gaz sont généralement plus
profonds que les gisements pétroliers (en fait pétro-gaziers).
*Autres évolutions possibles du kérogène
les sables bitumineux et les huiles extra-lourdes, qui correspondent aux poches où le pétrole formé
a perdu ses éléments volatils. Si rien n'arrête la migration vers le haut des hydrocarbures, ils
finissent par parvenir près du sol, ils sont dégradés par l'action des bactéries et aboutissent à la
formation de bitumes.
les schistes bitumineux, c’est un mélange de roches et de kérogène non pyrolyses. Il s'agit donc de
combustibles fossiles qui se sont arrêtés au stade « avant le pétrole » dans la chaîne de
transformation, et ces ressources devraient plutôt être comptées dans la catégorie des charbons, à
l'instar de la tourbe ou du lignite. Ils peuvent être transformés en pétrole en subissant une pyrolyse
500° C pour ne pas attendre un million d'années) dans une usine, mais le bilan énergétique est
très mauvais (en général le rendement est négatif, c’est-à-dire que l'on dépense plus d'énergie que
l'on en obtiendra ensuite en brûlant le combustible obtenu).
*Diagramme de genèse de pétrole :
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L'axe horizontal du diagramme exprime le pourcentage d'hydrocarbures générés; l'axe vertical, la
profondeur d'enfouissement. Dans le premier 1000 mètres, ce sont toujours les bactéries qui agissent.
Le processus dominant dans cette zone est la dégradation biochimique qui transforme les matières
organiques en un hydrocarbure qu'on appelle kérogène, une sorte de pétrole embryonnaire. Sous les
1000 mètres, la dégradation biochimique est remplacée par une transformation contrôlée par
l'augmentation de la température; c'est la dégradation thermique. L'enfouissement conduit, d'une part
à une transformation progressive du sédiment en roche et, d'autre part, à cette dégradation thermique
des kérogènes. A 2000 mètres par exemple, une partie des kérogènes se transforme en huile, un peu
plus de 10% ici, une plus petite partie en gaz, et la plus grande partie poursuit sa transformation. Entre
2000 et 3000 mètres, c'est là que le kérogène produit le plus d'huile. Sous les 3000 mètres, la
production d'huile devient insignifiante. Par contre, à partir de 2500 mètres, la production de gaz
s'accélère et devient importante. Il s'agit d'un gaz qu'on qualifie de thermogénique, puisqu'il est le
produit de la dégradation thermique des kérogènes. A 3500 mètres, on ne produit plus d'huile, mais
beaucoup de gaz. La dégradation thermique conduit progressivement à des phénomènes de
carbonatisation qui transforment les kérogènes non transformés en huile ou en gaz en résidus de
carbone. Si l'enfouissement dépasse les 4000 mètres, tout est cuit et les troles, huile et gaz, sont
détruits.
On voit donc qu'il y a des conditions spécifiques d'enfouissement pour former huile ou gaz. En
langage pétrolier, on appelle "fenêtre à l'huile" cette fourchette de profondeurs ou se forme l'huile, et
"fenêtre à gaz" se forme le gaz. Ce qui explique aussi que dans un champ de pétrole il y a
pratiquement toujours de l'huile et du gaz.
Ces valeurs de profondeurs ne sont pas absolues; elles sont indicatives, car le gradient
géothermique peut varier d'une région à l'autre. En effet, ce qui importe, c'est la température à laquelle
ont été portés les kérogènes. On sait que le gradient géothermique, défini par le flux de chaleur qui
traverse la croûte terrestre, peut varier d'une région à l'autre. Une région qui a connu du magmatisme
récent aura un gradient géothermique plus élevé qu'une région le magmatisme a cessé depuis
longtemps et, par conséquent, les pétroles s'y formeront à de plus faibles profondeurs.
A ce stade-ci, on est encore bien loin d'un champ de pétrole. Il faut satisfaire encore à plusieurs
conditions; seules les deux premières conditions ont été remplies: accumuler de la matière organique
dans les diments protégés de l'oxygénation, et avoir atteint les conditions d'enfouissement
spécifiques à sa transformation en pétrole. Tout ce que l'on a, c'est une certaine quantité
d'hydrocarbures liquides et gazeux, sous forme de gouttelettes disséminées dans la roche.
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