Pétrole: origine, production et traitement

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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

Le pétrole s’est formé au cours de millions d’années. Avant de le transformer enproduits indispensables à la vie moderne, il faut le transporter sur de très longuesdistances. La présente brochure met en relief la formation du pétrole, son extrac-tion, transport et raffinage.

Long parcours

21 3

Eau Micro-organismes Sédiments Pétrole Gaz naturel

Le pétrole, dont les réserves déterminent notre quotidien, s’est formé, il y a 20 à 350millions d’années, dans les bassins sédimentaires peu profonds des océans. Les plusanciens gisements connus remontent à quelque 500 millions d’années, les plus ré-cents à 4000 ans à peine. A cette époque, comme de nos jours, des micro-organismesanimaux et végétaux - le plancton - flottaient dans les couches supérieures desétendues 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 mélangésaux boues sous-marines pour former des couches de sédiments riches en matièresorganiques.

Mélange complexeDans les fonds marins, pauvres en oxygène, les restes de plancton ne pouvant plus sedécomposer se sont transformés, au cours des millénaires, en un mélange complexed’hydrocarbures: le pétrole. Cette transformation n’a été possible que par des proces-sus chimiques et biologiques continuels, à des températures de 65°C à 120°C et sousforte pression.

Roche-magasinLes minéraux des boues abyssales se sont solidifiés en roche poreuse, où le planctona pu se transformer. La roche-magasin est un ensemble de couches géologiques im-prégnées d’hydrocarbures. C’est pourquoi, le pétrole se présente toujours emprisonnédans des formations rocheuses, et jamais sous forme d’un lac souterrain.

Dépôt de micro-organismes, recouvert de matériaux imperméables. Transformationpar des bactéries anaérobies

Tassement et solidification des couches de sédimentation. Autre transformation sousl’effet de la pression et de l’élévation de la température

Plissement des couches de sédimentation. Migration et sédimentation de gaz, d’huileet d’eau

Formation du pétrole

45

Formation du pétrole

Formation du pétrole

Précambrien Paléozoïque Mésozoïque Cénozoïque

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4600

Périodes de la formation du pétrole

1

2

3

Le pétrole ainsi formé, d’une densité plus faible que la formation rocheuse environ-nante, 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 notrehistoire.

Pièges à pétroleToutefois, en maints endroits, des couches de roche imperméable arrêtent la progres-sion du pétrole. Et quand il ne peut s’échapper latéralement, le pétrole s’y accumule.Ces formations géologiques s’appellent des pièges à pétrole.

Formation des anticlinauxLes pièges à pétrole se sont formés au cours de l'orogenèse, où ces couches d'ac-cumulation se sont plissées, soulevées, déchirées et disloquées. Le piège à pétrolele plus caractéristique et le plus fréquent est l’anticlinal, où le plissement de la rochea formé une voûte. Le pétrole s’accumule aussi dans des failles produites par descassures de l’écorce terrestre, ou autour des couches souterraines de sel. Un grandnombre de ces gisements pétrolifères contiennent du brut recouvert de nappes degaz naturel.

Au fond de la Terre

67

Faille tectonique2 Piège anticlinal1 Dôme de sel

21

3

PétroleGaz naturelCouches aquifères perméablesCouches imperméables

Pièges à pétrole

en milliards de tonnes (2003)

Amérique du Nord (Mexique inclus)6,4

Eurasie13,3

Afrique10,3

Moyen-Orient93,4

Extrême-Orient5,2

Amérique du Sud14,1

Réserves de pétroleLes conditions géologiques les plus favorables à la formation du pétrole se sont pré-sentées dans l’actuel Moyen-Orient, voilà plusieurs millions d’années. Deux tiers desréserves connues se trouvent dans la péninsule d’Arabie. L’Arabie saoudite détient àelle seule 36 milliards de tonnes de pétrole, soit près d’un quart des réserves mondiales.

Autour du globeD’autres gisements pétrolifères importants se trouvent en Irak, dans les Emirats arabesunis, au Koweït et en Iran. L’Amérique du Sud (Venezuela et Mexique) recèle aussi d’énor-mes quantités de pétrole, de même que la région de la mer Caspienne et l’Afrique duNord (notamment la Libye et le Nigeria). De nombreux champs pétrolifères plus petitsse trouvent répartis dans le monde. Les réserves européennes se situent essentielle-ment en mer du Nord.

Réserves traditionnelles et non traditionnellesLes réserves de pétrole se répartissent en deux groupes. On désigne par réservestraditionnelles, les gisements exploitables économiquement à grande échelle, par lestechniques actuelles. La plupart des gisements du Moyen-Orient appartiennent à cegroupe. 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’énormesréserves pétrolières non traditionnelles sous forme de sables asphaltiques, schistesbitumineux et d’huile lourde.

Réserves mondiales de pétrole

89

Etudes sismiques

3 Véhicule d’enregistrement des mesures2 Géophone1 Vibrateur

2 2 2 21

3

La recherche du pétrole est appelée exploration en jargon pétrolier. Les géologuesdisposent de techniques modernes pour déceler les formations rocheuses suscep-tibles de contenir du pétrole.

Etudes sismiquesAujourd’hui, les études sismiques constituent la plus importante méthode de recher-che du pétrole. On sait que les ondes sismiques se propagent à des vitesses différentesselon la constitution du sol. Comme les ondes du son ou de la lumière, les ondes sis-miques sont réfractées ou réfléchies lorsqu’elles passent d’une formation rocheuse àune autre.

La méthode sismologique consiste à envoyer dans le sol des vibrations sous formede minuscules tremblements de terre. Les ondes sismiques réfractées et réfléchiessont enregistrées par des géophones, appareils de mesure ultrasensibles. Des or-dinateurs performants traitent les données et fournissent une image tridimension-nelle du sous-sol géologique.

Forages d’explorationAu cours des cinquante dernières années, des méthodes modernes de recherchegéologique ont nettement augmenté les chances de découvrir de nouveaux champspétrolifères. Mais seul un forage d’exploration peut révéler si la structure rocheuse«présumée» contient effectivement des hydrocarbures.

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 quesi l’exploitation commerciale du gisement est établie.

Trouver et extraire du pétrole

1011

Etudes sismiques

AB

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1 2

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Tour de forage

Table de rotation Bloc d’obturation du puits

Curage Circuit du liquide de curage

A Curage contenant des débrisB Tamis pour liquide de curageC Débris rocheuxD Liquide de curage

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Technique de forageTechnique de forage

La plupart des puits sont forés verticalement au moyen d’un trépan suspendu à un trainde tiges de forage. La tige qui se trouve au niveau du sol est mue par la table de rotationqui met en mouvement le trépan. A une certaine profondeur, on met en place les tubesde cuvelage pour stabiliser le forage.

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 desécurité indépendant.

Un liquide de curage injecté dans le train de tiges ressort par les orifices du trépan etremonte à la surface en entraînant les débris rocheux. Ces derniers donnent des indi-cations sur la nature des roches traversées. Ce liquide refroidit et lubrifie en mêmetemps l’outil de forage et, par la pression qu’il exerce, prévient les infiltrations d’eau etles fuites de pétrole.

Le liquide de curage remonté à la surface est alors débarrassé des déblais qu’il contient,puis réinjecté dans le train de tiges.

Les forages verticaux ou déviés atteignent aussi des gisements difficiles d’accès.

Onshore et offshoreUne grande partie des gisements traditionnels ne se trouvent pas sur terre ferme «on-shore», mais sous les mers peu profondes du plateau continental «offshore», commela mer du Nord ou le golfe du Mexique. Les forages offshore se font à partir de plates-formes flottantes ou fixes, avec en principe les mêmes techniques que les installationsonshore. Elles sont cependant soumises à des conditions météorologiques plus sévères,d’où une réalisation plus complexe et des investissements bien plus élevés. A la recher-che de nouveaux gisements pétrolifères, les équipes de forage s’engagent toujours plusdans des secteurs difficiles. Aujourd’hui, on effectue des forages pétroliers aussi biendans 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, notammentdans la région du Mittelland. Ils n’ont rien donné et aucun gisement économiquementexploitable n’a été découvert. Depuis le début des années quatre-vingt, l’explorationpétrolière n’est plus d’actualité dans notre pays.

Trouver et extraire du pétrole

1

2

3

4

Extraction améliorée par injection de vapeur et adjonction de produits chimiques

Extraction par injection d’eau

Extraction au moyen de pompes à balancier

Extraction par injection de gazExtraction par pression naturelle du gaz et de l’eau

PétroleGaz naturelCouches aquifères perméablesCouches imperméables

Exploitation primaire

Exploitation secondaire Exploitation tertiaire

Systèmes d’extraction

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Extraction par pression naturelleL’exploitation varie d’un gisement à l’autre. Le pétrole fluide soumis à une forte pres-sion et contenant de grandes quantités de gaz libéré, monte dans le trou du forage sansaucune assistance. Dans les champs pétrolifères du Moyen-Orient, le pétrole remontele plus souvent à la surface naturellement sous l’effet de la pression, durant des années,et sans intervention.

Extraction au moyen de pompesAvec le temps, toutefois, la pression faiblit. Dès que le pétrole ne remonte plus de lui-même, on utilise des pompes. C’est l’image de pompes à balancier, appelées pompesd’alimentation alternatives, ressemblant à des «têtes de chevaux» (voir illustration)dont le mouvement lent, de haut en bas, caractérise la production pétrolière dans lemonde.

Extraction par pression de gazDe nombreux gisements de pétrole contiennent aussi du gaz naturel. Toutefois, lacommercialisation de ce gaz n’est pas toujours possible, notamment dans des lieuxde production retirés, où l’infrastructure nécessaire serait trop chère. On peut, enrevanche, utiliser le gaz disponible pour la production pétrolière en l’injectant dansla roche autour du trou de forage. Le gaz se mélange alors au pétrole pour formerune légère mousse qui remonte à la surface sans autre assistance.

Extraction par pression hydrauliqueSi la pression intérieure du puits continue de faiblir, on injecte de l’eau qui pousse lepétrole encore disponible vers le haut, dans le trou du forage.

Extraction à l’aide de vapeur et de produits chimiquesPar injection de vapeur et adjonction de produits chimiques, on abaisse la tensionsuperficielle du pétrole afin qu’il se détache plus facilement de la roche, d’où un plusgrand rendement.

Epuisement du gisementMalgré toutes ces astuces, le gisement s’épuisera, même si tout le pétrole n’a puêtre pompé, loin de là. Une grande partie du pétrole reste emprisonnée dans les poresles plus fins de la roche. Malgré tous les moyens déployés, on ne peut extraire plusde 50% du pétrole stocké dans la roche. Ce taux est cependant nettement supérieurà celui d’il y a vingt ans où l’on devait se contenter de 25%.

Trouver et extraire du pétrole

Un long chemin reste encore à parcourir avant que le pétrole ne se présente sous for-me 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 quelque4000 tonnes de pétrole par an. Mais avant de transporter et traiter le pétrole, il fautéliminer le gaz, l’eau salée et autres impuretés qu’il contient.

Premier transport On l’achemine ensuite généralement par oléoducs jusqu’aux raffineries ou au prochainport pétrolier. Contrairement à une idée préconçue, l’oléoduc constitue le plus sûr desmoyens de transport du pétrole. Il présente toutefois un inconvénient: un coût de cons-truction élevé et peu de flexibilité.

Transport maritimeQuelque 7400 pétroliers assurent l’acheminement du pétrole et des produits pétroliersautour du globe. Les pétroliers géants «ultra large crude carriers», d’une capacité dechargement jusqu’à 400 000 tonnes, relient les grands ports pétroliers de la péninsuled’Arabie aux plus gros consommateurs des Etats-Unis et d’Asie orientale. Les «verylarge crude carriers», d’une capacité jusqu’à 300 000 tonnes, et une multitude de pe-tits navires-citernes approvisionnent le reste du monde. On différencie clairement lesnavires qui transportent du pétrole brut (crude) de ceux destinés à l’acheminementde produits pétroliers, comme l’essence et le gasoil (mazout et diesel) ou le fioul lourd.

Sécurité du transportLa sécurité des transports représente l’un des plus grands défis de l’industrie pétro-lière. Même si des naufrages spectaculaires font régulièrement la une des médias, leurtaux d’accidents est extrêmement faible par rapport aux énormes quantités transpor-tées. Des standards rigoureux pour la construction, l’entretien et l’exploitation desnavires-citernes sont nécessaires, pour assurer et améliorer la sécurité aussi à l’ave-nir. La responsabilité de la réglementation des standards de sécurité de la navigationdes pétroliers incombe à l’International Maritime Organization (IMO), organisationspéciale rattachée à l’ONU.

Transport en EuropeRotterdam est le plus important port de transvasement et de négoce de produits pé-troliers d’Europe. De là, des pipelines ou des bateaux-citernes assurent le transportjusqu’aux raffineries, alors que l’approvisionnement des consommateurs en produitsfinis se fait par rail ou par route.

Transport sur terre et sur mer

1617

Transport sur route

Oléoduc

Transport maritime

Alcane = paraffines normales

Exemple octane (C H )8 18

Iso-alcane = paraffines ramifiées

Exemple iso-octane (C H )8 18

Cyclo-alcane = cycloparaffines

Exemple cyclohexane (C H )6 12

Alcène = oléfines

Exemple pentène (C H )5 10

Aromatiques

Exemple benzène (C H )6 6

Traitement et raffinage du pétrole

1819

Pour obtenir la multitude de produits qui déterminent notre quotidien, le pétrole brutdoit être fractionné et raffiné. Le brut n’est pas un produit homogène, mais un mélan-ge complexe d’hydrocarbures des plus divers, de faibles quantités de soufre et de tra-ces d’oxygène, d’azote et de métaux.

Distillation à la raffinerie A la raffinerie, ce mélange est chauffé à une température élevée, puis fractionné en dif-férents liquides par distillation – même processus pour l’alcool obtenu par distillationdu vin ou du cidre. La distillation sépare le pétrole en diverses fractions, en fonctionde leurs différents points d’ébullition. On obtient ainsi du gaz liquéfié, de l’essence, dukérosène, du gasoil (mazout et diesel), de l’huile de chauffage lourde (fioul lourd) et dubitume. La distillation ne forme pas de nouvelles liaisons chimiques, mais fractionneseulement le pétrole en produits distincts, dont les quantités respectives varient sen-siblement selon le type de brut traité. C’est ce qu’on appelle la production liée, phéno-mène caractéristique de la fabrication des produits pétroliers.

Distillation atmosphériqueLa première opération est la distillation atmosphérique du pétrole brut. Il est chaufféet envoyé dans une colonne de distillation. La température ne doit pas excéder 350°Cafin de prévenir une décomposition des molécules d’hydrocarbures. Les hydrocarbu-res qui se dégagent montent dans la colonne en se refroidissant. Les fractions ontchacune leur propre point d’ébullition. Celles qui se vaporisent en premier, à des tem-pératures inférieures à 350°C, montent en haut de la colonne à travers des plateauxà clapets. Ce sont les fractions légères. A chaque étage de fractionnement, les pro-duits obtenus sont soutirés par des conduites. Les gaz montent le plus haut, alorsque l’essence, le kérosène et le gasoil se condensent sur les plateaux inférieurs. Lesfractions les plus lourdes restent au fond de la colonne et forment un résiduqu’on ne peut plus distiller, même à des températures très élevées.

Distillation sous videPour pouvoir le traiter de nouveau, ce résidu est chauffé et envoyé dans une secondecolonne, l’unité de distillation sous vide, dans laquelle on a créé un vide partiel. Ce pro-cédé abaisse les points d’ébullition de quelque 100°C, ce qui permet de récupérer d’au-tres fractions. Toutefois, cette opération ne vaporise pas toutes les fractions du brut. Lerésidu de la distillation sous vide servira comme huile de chauffage lourde ou, selon laqualité du brut utilisé, à la fabrication du bitume pour la construction des routes.

Eléments du pétrole brut

Pétrole brut

Distillation Conversion: TransformerReconstituerFragmenter

SéparerDésulfurer

Mélanger Produits finis

Pétrole brut

Distillation atmosphérique

Gaz

Essences

Distillat moyen

Résidu de ladistillation

Unité de séparation des gaz

Reformage

Kérosène

Essence pour moteurs

Gaz liquéfiés

Carburant diesel

Mazout

Soufre

Huile lourde

Bitume

Distillation sous vide

Gasoil

Résidusous vide

PolymérisationAlcoylation

Fabrication d’huile de base

Craquagethermique

Craquage catalytique

Hydrocraquage

Désulfuration de l’essence

Désulfuration du distillat moyen

Unité de mélange des essences

Unité de mélange du gasoil

Unité de mélange de fioul lourd

Fabrication de lubrifiants

Unité de fabrication du bitume

Lubrifiants

Traitement et raffinage du pétrole

2021

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 enannée, notamment en Suisse. D’où l’intérêt des raffineries d’augmenter la productionde produits légers. C’est pourquoi, de nombreuses raffineries modernes sont équi-pées d’une unité de craquage, procédé qui consiste à casser les grosses moléculesdes fractions lourdes du résidu, en molécules plus petites à plus forte valeur ajoutée.Trois procédés de craquage caractérisent les raffineries modernes: craquage ther-mique, craquage catalytique et hydroconversion.

RaffinageAprès les opérations de distillation et de craquage, commence le raffinage proprementdit: l’élaboration des produits obtenus. Cela comprend, d’une part, la transformationchimique des hydrocarbures en liaisons de plus haute valeur (conversion) et, d’autrepart, l’élimination de substances indésirables (par exemple le soufre). Le reformageet l’isomérisation sont des procédés de modification de la structure moléculaire deshydrocarbures. Ils sont utilisés, par exemple, pour améliorer l’indice d’octane, c’est-à-dire renforcer la résistance de l’essence à la compression et à l’auto-allumage.

DésulfurationLa désulfuration des combustibles et des carburants profite à l’homme et l’environne-ment. En Suisse, l’Ordonnance sur la protection de l’air (Opair) limite les teneurs ensoufre de l’essence, du diesel, du mazout et du kérosène. Le soufre est un composantnaturel du pétrole. La teneur en soufre varie fortement selon la provenance du brut.Les raffineries doivent désulfurer les produits afin de satisfaire aux valeurs prescritesdont la limite s’abaisse constamment. L’opération de désulfuration consiste à transfor-mer les composés du soufre en hydrogène sulfuré par hydrogénation catalytique. Lesfractions à traiter, mélangées à de l’hydrogène, passent, sous haute pression et hautetempérature, à travers un catalyseur où le soufre se combine avec l’hydrogène pourdonner de l’hydrogène sulfuré. Ce dernier est traité ensuite dans une autre installationoù 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 quasimentexemptes de soufre.

Schéma d’une raffinerie

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En tant qu’association de l’industrie pétrolière de Suisse, l’Union Pétrolière fournitdes 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.

EditeurUnion Pétrolière, Löwenstrasse 25, 8001 ZurichTél. 01 218 50 10, Fax 01 218 50 11, info@swissoil.ch, www.swissoil.ch1e édition 2003

CopyrightL’utilisation du contenu de cette brochure est autorisée avec mention de la source.

Le monde du pétrole – série de publications de l’Union Pétrolière