Exploration - TPE Pétrole

Le Pétrole
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Exploration
Pour avoir du pétrole, il faut d'abord faire de l'exploration, c'est à dire rechercher les endroits où la topographie du
sous sol permet de « piéger » l'or noir.
Sans obéir à des lois physiques bien précises, l'existence de gisements de pétrole dans un endroit sont fonction de
deux critères élémentaires :

Les hydrocarbures (pétrole) doivent s'être formés dans des terrains propices que l'on qualifie de roche mère; ces terrains
correspondent nécessairement à certaines phases de la sédimentation marines avec dépôts de matières organiques dont
l'évolution physico-chimique conduit à la formation des hydrocarbures. Leur maturation se fait sur des périodes
extrêmement longues (des millions d'années) mais les conditions de formation de ces hydrocarbures ayant existé à
n'importe quelle époque de l'évolution du globe terrestre, par conséquent on trouve des hydrocarbures dans tous les
terrains sédimentaires.
Cependant, certaines époques géologiques ont donné lieu, dans certaines zones, à des productions de matières
organiques plus abondantes, et finalement, à des évolutions physico-chimiques plus élaborées que dans d'autres
secteurs. La répartition des hydrocarbures dans les bassins sédimentaires est donc très hétérogène.

Pour qu'il y ai ensuite gisement de pétrole, il faut que les hydrocarbures aient été, après leur formation, rassemblés, puis
« piégés » dans des « réservoirs ».
On appelle « réservoir » un espace étanche en haut, bordé par de l'argile ou par des roches imperméables, plus ou
moins grand dans lequel il y a une roche poreuse, comparable à une éponge. Cette roche est imprégnée de gaz et/ou
de liquide (pétrole) et/ou d'eau salée.
Formé en milieu marins dans la plupart des cas, les hydrocarbures sont toujours contenus dans des roches mères
imprégnées d'eau; d'où une pression hydrostatique les refoulant vers le haut (les hydrocarbures sont plus légers que
l'eau). Si au cours de cette migration vers le haut, ces hydrocarbures rencontrent, sur le chemin, une zone de roches
imperméables, leur migration s'en trouvera stoppée. Un gisement de pétrole est donc constitué d'un réservoir à toit
imperméable.
La qualité du réservoir est caractérisée par sa porosité (plus la roche est poreuse, plus le volume du pétrole contenu
est grand) et sa perméabilité (possibilité d'extraire le pétrole).
L'exploration du pétrole consiste à étudier la géologie pétrolière. Cette exploration commence par l'établissement des
cartes à l'aide de photos aériennes. La géologie pétrolière est l'ensemble des techniques permettant de prévoir
l'emplacement des gisements pétrolifères; elle se devise en deux branches :

L'étude géologique proprement dite, s'intéressant à la formation des hydrocarbures et autres caractéristiques des roches
en tant que réservoirs (ou couvertures).

L'étude des structures internes tendant à définir l'existence des « pièges » à partir des méthodes de surface ; c'est la
géophysique que pratiquent des équipes parcourant les terrains à prospecter (à explorer) et dessinant des cartes
structurales. Les moyens les plus sophistiqués sont mis en œuvre, la prospection étant affinée par un maillage sismique.
Ce maillage sismique consiste à obtenir des informations précises sur la profondeur et la disposition des formations
pétrolifères à l'aide des mesures au sismographe soit par réflexion soit par réfraction d'ondes de choc émises.
L'ensemble des techniques ci-dessus aboutit au « prospect » c'est à dire au gisement « putatif » qu'il faut finalement
vérifier sur le terrain par forage.
géologie : composition des terrains, utilisation de la sismographie et des explosions contrôlées, échantillonnage par
carottage
Forage
Une plate-forme pétrolière
Le forage est la clé de toute prospection pétrolière dont il représente le principal et l'essentiel du coût (environ les
2/3). Ce coût dépend bien entendu de la localisation et de la profondeur du terrain. L'exploration offshore (en mer)
coûte bien plus (plusieurs fois) que la prospection onshore.
Malgré les progrès des méthodes géologiques, la découverte, surtout de gros gisements, reste un événement rare.
Dans le monde on compte en moyenne, une découverte pour 10 forages effectués, mais il faut 100 forages pour
découvrir un seul gisement de 10 millions de tonnes /an.
En matière d'exploration, l'économie est dominée par l'aspect aléatoire de la découverte qui exige d'établir au
préalable des relations de choix sous forme probabiliste. Les techniques économiques à appliquer sont au demeurant
fort simples, un fois comprise et acceptée cette « probabilisation » des « données ».
Un appareil de forage est constitué d'un mât (ou derrick en anglais) servant à descendre le train de tiges de forage, au
bout desquelles se trouve un trépan. Le train de tiges de forage est constitué d'un ensemble de tubes vissés les uns au
bout des autres, au fur et à mesure de sa descente au fond du puits. Le trépan découpe la roche au fond du puits, à la
tête du forage. Un fluide (mélange à base d'eau et d'argiles) est injecté dans le puits pour contenir les bords du puits et
remonter les déblais (cuttings en anglais). D'autres outils sont également disponibles utilisant des fraises garnies de
dents en diamant synthétique.
Un forage peut se situer en mer, il se trouve alors sur une plate-forme pétrolière (voir l'article spécifique sur la
conception, la construction, l'acheminement, le montage et la mise en exploitation des plates-formes).
En principe, l'exploration-production en mer n'introduit pas de différences fondamentales avec les opérations
terrestres. Pourtant si la facilité du mouvement rend la « sismique marine » très bon marché, le forage au contraire,
qu'il soit opéré à l'aide des bateaux ou de plates-formes fixes ou mobiles coûte plusieurs fois (3 à 4 fois) le prix du
plus cher des forages à terre.
Même si l'on veut ignorer le problème pécuniaire, le forage en eau profonde se heurte aux limites actuelles de la
technique qui grâce à l'invention des robots peut faire des progrès dans le future.
Les techniques modernes de forages permettent de forer en déviation à partir d'un seul point, cela limite les
dimensions des installations de surface en concentrant les puits (limite la déforestation ou la taille des plates-formes
offshore). les puits peuvent simplement déviés ou réellement horizontaux voire en U (U-shape). Optimisant ainsi la
surface d'échange entre le puits et la roche réservoir, les puits horizontaux peuvent avoir des productivités cinq à dix
fois supérieures aux puits verticaux.
Extraction
Puits de pétrole en Roumanie au début du XXe siècle
Une fois le gisement trouvé après forage, vient le temps de l'exploitation de la production. L'exploitation des champs
par rapport à l'exploration pourrait apparaître comme une opération quasi industrielle, en ce sens que la liaison entre
investissements et production devrait être prévue avec une bonne précision.
En réalité, il n'en est rien. La prévision de production d'un champs pétrolifère reste très incertaine, surtout juste après
la découverte de ce champs dans les premiers stades de cette production. Elle ne prend une allure plus précise
qu'après une période de production effective. En effet, chaque gisement a ses caractéristiques propres de production
qui exige un calage réel d'un grand nombre de paramètres avec des mesures ne pouvant être réalisées qu'au fur et à
mesure du développement et de l'exploitation du gisement.
Il faut garder à l'esprit qu'un champs de pétrole s'étend sur des dizaines ou des centaines de kilomètres carrés. Les
paramètres tels que la pression exercée à la sortie des puits ainsi que la température du pétrole sont très variables sans
parler de la qualité des hydrocarbures, la structure des roches et leur perméabilité.
Tous ces paramètres et bien d'autres vont déterminer à la fin les réserves récupérables d'un champs et de là la
rentabilité des investissements.
Ici il faut aussi préciser la notion de « réserves récupérables » qui nécessite des explications. En effet, on peut
généralement, au premier stade de la production, récupérer qu'une faible fraction du pétrole contenu dans le gisement
(de l'ordre de 30% en moyenne). En effet, au fur et à mesure de l'extraction du pétrole, la pression interne du
gisement diminue et tend vers la pression atmosphérique. Pour pouvoir récupérer davantage, il faut augmenter
sérieusement les investissements complémentaires dont l'économie est à mettre en balance.
D'une manière générale cette récupération complémentaire consiste à injecter dans le gisement du gaz sous une
pression supérieure à la pression interne du gisement. Cette opération nécessite la mise en place des compresseurs à
haut débit. C'est ainsi qu'à Hassi R'Mel, on a installé une station de compression, ayant une dizaine de compresseurs à
étage, permettant d'atteindre une pression finale de 500 bars, pour la réinjection du gaz dans les puits.
Comme il a été dit plus haut, un gisement peut s'étendre sur des centaines de kilomètres carrés, l'exploitation consiste
à forer un certain nombre de puits, à les coiffer « d'Arbres de Noël » c'est à dire d'un dispositif de vannes, à relier ces
« arbres de Noël » à un réseau de collecte de pipelines pour acheminer le pétrole à une (ou plusieurs) usines de
traitement et de stockage.
En effet, comme les caractéristiques du brut varient d'un puits à l'autre et qu'il faut maintenir une qualité commerciale
aussi constante que possible du brut à commercialiser, de ce fait le débit de chaque puits est contrôlé par ordinateur
afin de maintenir cette qualité commerciale.
D'autre part le pétrole contenu dans le gisement est sous très haute pression (environ 500 bars au début de l'extraction
du gisement) une certaine quantité de gaz s'est trouvé dissoute et à la sortie du puits la décompression permet à ce gaz
de se libérer du pétrole lui-même. Aussi le traitement consiste entre autre à séparer ce gaz du pétrole extrait avant le
stockage et la commercialisation de celui-ci.
Par ailleurs, ce pétrole contient également de l'eau salée et des produits sulfurés en plus ou moins grande quantité
qu'il faut dans certains cas les séparer avant de le mettre sur le marché. Pour certains champs comme à Abu Dhabi ou
à Safaniya en Arabie Saoudite, on a même comme sous produit, du soufre, dû à ce que le brut en contient une grande
quantité.
Après traitement le pétrole est stocké dans des grands réservoirs à toit fixe ou à toit flottant. Le stockage des
hydrocarbures se trouve en général à côté des ports de chargement pour être acheminé par voie maritime vers les pays
consommateurs.

historique des lieux de production dans le
monde
1. Europe (stocks épuisés, sauf en Russie)
2. USA (stocks en voie d'épuisement)
3. Moyen-Orient
4. Mer du Nord, Golfe du Mexique,
Amérique du Sud, Afrique de l'Ouest
5. autres sites récents ou à venir, sites
potentiels (Canada, Arctique, Antarctique)
mais consistant souvent en types de pétroles
difficiles (souffrés, extra lourds)
Champs pétrolifère de Burkburnett, Texas, 1919.
 Différentes modes d'extraction :
o remontée naturelle, injection de gaz, d'air, d'eau,
techniques avancées pour récupérer les
produits les plus lourds
o taux de récupération faible (environ 60% des
produits présents dans le gisement dans les
meilleurs cas, 30% pour la plupart de
gisements)
o techniques extrêmes pour optimiser la
production
o chauffage et lavage de sable bitumineux
Dans la pratique, une fois qu'un gisement est découvert par forage et jugé exploitable, on détermine l'étendue de ce
gisement, puis on commence à forer à plusieurs endroits un certain nombre de puits. Chaque puits foré est coiffé d'un
Arbre de Noël, c'est un ensemble de vannes qui ferment le puits en attendant son exploitation.
Les effluents du pétrole venant de chaque puits foré sont analysés en laboratoire pour déterminer les différentes
caractéristiques physiques et chimiques telles que la densité, la teneur en soufre, le pourcentage de chaque fraction de
produit, le point d'écoulement, le point de trouble,le point d'inflammabilité, la viscosité etc. Pour cela, on utilise
différentes techniques d'analyse telles que la chromatographie en phase gazeuse, la distillation, la détermination de la
teneur en soufre par la bombe, la colorimétrie et bien d'autres techniques.
Une fois ces caractéristiques connues, on va déterminer un mélange stable qui va servir de base pour sa
commercialisation. Après cela, tous les puits forés sont raccordés en réseau qui tous, aboutissent à l'usine (ou des
usines) de traitement puis à un ensemble de bacs de stockage. Ensuite, un système informatique automatique va
commander l'ouverture et la fermeture des vannes de l'ensemble des puits forés (souvent plus d'une centaine) afin de
toujours maintenir le mélange commercial stable dans le temps. De ce mélange commercial stable, on fait ensuite une
analyse plus complète afin de fournir aux clients potentiels des éléments d'estimation.
Si le pétrole contient un fort pourcentage de gaz et de produits légers, on procéde avant qu'il soit stocké, à un
dégazage en le faisant passer par des unités de déméthaniseur, dé-éthaniseur, dépropaniseur, débutaniseur et
dépentaniseur.
Si le gisement est à terre, loin des terminaux pétroliers, il va falloir construire un oléoduc afin d'acheminer ce pétrole
vers un des terminaux. La taille de l'oléoduc dépend de la quantité journalière de pétrole à acheminer. En générale,
l'oléoduc est équipé, de place en place, de stations de pompage relais afin de maintenir une pression constante tout du
long du trajet. Cet oléoduc va aboutir à un ensemble de stockage au terminal maritime avant que le pétrole soit vendu
et chargé sur des tankers. Si le gisement est en mer, on dit qu'il est off shore et le gisement à terre est un gisement on
shore.