Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Pétrole

Introduction

Liquide, le pétrole est transportable facilement et distribuable en quantités très variables, les réseaux de transport et de distribution des produits pétroliers, après départ de raffinerie, étant les moins coûteux et les plus souples. En particulier, le pétrole est de nos jours la forme d'énergie la plus adaptée pour les transports routiers, aériens et maritimes, qui constituent un marché quasiment captif pour les carburants liquides.

Un autre avantage offert par le pétrole est que la multiplicité de ses usages s'est progressivement développée au cours des cent dernières années, et couvre aujourd'hui une gamme considérable de produits, comme le montre la figure ci-dessus. La polyvalence du pétrole en fait ainsi une source d'énergie particulièrement attractive, et explique le fort développement de son marché au XX° siècle.

Origine du pétrole

Le pétrole et le gaz naturel, mélanges de carbone et d'hydrogène, ou hydrocarbures, ont pour origine des micro-organismes végétaux et animaux accumulés au fond des mers, qui, par suite de bouleversements géologiques, ont été transformés en boues progressivement filtrées par des roches sédimentaires poreuses, et déplacées jusqu'à ce que, bloquées par des couches de terrain imperméables, elles forment des gisements.

Les gisements sont constitués d'étendues de dimensions très variables à des profondeurs allant d'affleurements à la surface jusqu'à près de 5 000 m. Leur composition géologique correspond à des roches poreuses dans lesquelles les hydrocarbures sont emprisonnés, la porosité (et donc la concentration en pétrole) étant au mieux égale à 25 %. Ces roches sont appelées roches-réservoirs ou roches-magasins, par opposition aux roches-mères où les hydrocarbures se sont formés à l'origine.

Filière pétrolière

Comme indiqué dans la figure ci-dessous, la filière pétrolière comprend cinq étapes principales, auxquelles il faut ajouter des étapes de stockage non représentées ici.

Filière pétrolière

Exploration

Pour extraire le pétrole des gisements, il faut forer des puits dont le coût unitaire est très élevé, surtout lorsqu'il s'agit de gisements sous-marins (off-shore). Pour limiter le nombre de forages, la prospection a développé des méthodes d'exploration qui relèvent de la géologie et de la géophysique.

Derrick

Les études géologiques, sur la base de l'observation de surface, éventuellement assistée de photographies aériennes, permettent de repérer la structure du terrain et de localiser les zones à potentiel pétrolier.

La prospection géophysique permet de caractériser les propriétés d'un terrain, grâce à des mesures de gravimétrie (variations locales du champ de la pesanteur), de magnétométrie (variations du champ magnétique), de résistance électrique, et surtout grâce à des études de sismique, qui consistent à suivre le trajet souterrain d'ondes de choc provoquées artificiellement (explosifs ou vibrosismique). Le dépouillement informatique des relevés permet aujourd'hui des interprétations très fines.

Lorsque les études de prospection laissent penser qu'un gisement existe, on entreprend des forages d'exploration dont la profondeur varie généralement entre 800 et 5 000 m et peut même dépasser 10 000 m.

Même en se fondant sur les techniques géologiques et géophysiques les plus modernes, l'exploration pétrolière reste fortement aléatoire et demeure une activité à haut risque financier, réservée à des entreprises de grande taille.

Au total, dans le monde, entre 30 et 35 000 bassins pétroliers ont été découverts. La plupart sont de petite taille, tandis que 1 % d'entre eux contient 90 % des réserves mondiales. On recense aujourd'hui environ 600 bassins de grande capacité ; 200 d'entre eux n'ont jamais été explorés, et 240 l'ont été plus ou moins, mais ne sont pas productifs.

Production

La mise en exploitation d'un gisement est réalisée en forant plusieurs puits. Selon la pression naturelle au sein du gisement, la production peut se faire spontanément ou doit être assurée par l'emploi de pompes (pompes de surface aspirantes/refoulantes à balancier, ou, de plus en plus, pompes électriques au fond du puits).

Ces moyens correspondent à la récupération primaire, qui ne permet généralement pas de recueillir plus de 20 % du potentiel du gisement.

Pour améliorer le rendement, il faut passer à la récupération secondaire, qui consiste à injecter de manière systématique de l'eau ou du gaz sous pression en un ou plusieurs endroits, facilitant ainsi la remontée du pétrole par le puits de production. En moyenne, le taux de récupération peut alors être porté à 33%.

Enfin, la phase de récupération tertiaire, beaucoup plus coûteuse et en cours de développement technologique, devrait permettre de porter le taux d'extraction à 40 ou 50 % grâce à l'injection de vapeur, d'hydrocarbures miscibles ou de produits chimiques dilués dans l'eau.. Il est alors nécessaire de décanter le pétrole extrait pour en séparer les gaz et les eaux salées.

Ces techniques ont un coût élevé et ne se justifient donc que si les prix dépassent certains seuils.

La mise en exploitation complète d'un champ pétrolier s'étend sur plusieurs années et peut demander jusqu'à 15 ans pour un grand gisement off-shore. Dans ce dernier cas, on doit utiliser des plates-formes posées ou ancrées au fond de la mer selon la profondeur.

Plate-forme pétrolière russe

Le développement de l'exploration et de la production en mer a été rendu nécessaire par le rapide épuisement des réserves à terre. Les océans représentant 70 % de la surface de la Terre, les potentiels pétroliers qu'ils recèlent sont en effet considérables, même si l'environnement y est beaucoup plus hostile.

Développées initialement à proximité des côtes où se situaient les grands gisements, l'exploration et la production off-shore se sont ensuite étendues à des zones d'accès beaucoup plus difficile comme la Mer du Nord, le Labrador, etc. Environ 30 % du pétrole produit dans le monde provient aujourd'hui du fond des mers, et ce chiffre devrait rester stable dans le proche avenir.

Transport vers les raffineries

Du puits de production aux raffineries, le transport du pétrole brut est assuré soit par navire pétrolier, soit par oléoduc.

L'intérêt de l'acheminement par voie maritime est qu'il permet de modifier à tout moment la destination de la cargaison. En revanche, les pétroliers doivent retourner à vide sur les lieux de chargement.

Raffinage

La principale contrainte technique est que le pétrole brut ne peut guère être utilisé tel quel, et qu'il est donc nécessaire de le raffiner, pour produire des "dérivés" ou "produits", qui correspondent aux usages très variés, soit énergétiques, soit chimiques.

Raffinerie

Le raffinage a pour but de séparer les différents hydrocarbures composant le pétrole. On utilise pour cela des procédés physiques et physico-chimiques qui permettent d'obtenir quatre grandes catégories de produits ou « coupes » : les gaz de pétrole liquéfiés (GPL), les essences, les distillats moyens (fioul domestique, gazole), et les fiouls lourds, comme indiqué sur la figure ci-dessous.

L'unité de distillation atmosphérique ou primaire permet de séparer les produits, à pression atmosphérique, en fonction de leur volatilité. Le pétrole y est introduit à 380°C, et les vapeurs sont ensuite séparées par condensation à des températures variant de 120°C à 255°C. Au fond, subsiste un résidu lourd, appelé résidu atmosphérique.

Pour le récupérer, on le distille sous vide à 480 °C, ce qui fournit un distillat que le craquage catalytique permet de séparer en produits plus légers. On obtient ainsi plus d'essence carburant.

Le réformage a quant à lui pour but de transformer de l'essence lourde en carburant à indice d'octane élevé. Il est obtenu en faisant passer l'essence sur un catalyseur en platine à 500 °C.

Le souci croissant de réserver l'utilisation du pétrole à ses usages spécifiques (transports routiers et aériens), a eu pour effet de réduire considérablement la demande mondiale en produits lourds depuis les premiers chocs pétroliers. Pour faire face à cette évolution, et pour mieux valoriser le pétrole, des technologies de conversion profonde sont en cours de développement dans les raffineries les plus performantes.

Très coûteuses, elles permettent de "craquer" les molécules lourdes afin d'obtenir plus de produits légers. Il est ainsi possible de réduire la production de produits lourds d'un facteur trois par rapport à une raffinerie sans unité de conversion, et d'un facteur deux par rapport à une raffinerie munie d'une unité de conversion classique.

Distribution

Alors que production et raffinage demeurent des activités centralisées, la distribution des produits pétroliers peut être plus largement décentralisée.

Le mode de distribution dépend de l'importance du consommateur :

  • les gros consommateurs sont généralement livrés directement par les raffineries ;

  • la livraison finale aux petits consommateurs se fait uniquement par route.

Stockage du pétrole

Les compagnies pétrolières disposent de dépôts de pétrole ou de produits raffinés, utilisés comme stockage stratégique (90 jours de consommation pour les Etats membres de l'Union européenne et d'importations pour ceux de l'AIE), et économique pour répondre aux fluctuations de la demande.

Ils sont généralement situés à proximité des zones de consommation. La France compte par exemple 500 dépôts dont la capacité varie de 1 000 m3 à plus de 10 000 m3.

Les stocks stratégiques sont le résultat d'une politique des pouvoirs publics établie pour faire face à une rupture grave des approvisionnements (crise pétrolière internationale, grève de la navigation, boycott politique, catastrophes naturelles, événements climatiques, voire imprévoyance dans la gestion des exportations de certains pays).

Données sur la situation mondiale

Ces cartes interactives vous fournissent des informations récentes et détaillées sur les consommations et les productions dans une cinquantaine de pays.

Leur utilisation est assez intuitive. Vous pouvez faire des sélections et des zooms avant ou arrière en utilisant les boutons situés en haut à gauche de l'écran. Le moteur de recherche peut vous aider à trouver un pays.

Certaines se présentent sous deux vues qui permettent d'exploiter les données de deux manières complémentaires :

  • l'une, munie d'une règle, permet de faire défiler les différentes années et, pour chacune d'entre elles, d'afficher les valeurs sur les différents pays

  • l'autre permet, lors du clic sur un pays, de faire tracer l'évolution de la valeur au cours de la période dans un petit graphique.

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