C) Du forage à la raffinerie

L'exploration du sous-sol

Les pièges pétroliers sont profondément enfouis sous terre. Pour localiser les pièges potentiels, on fait appel à une sorte d’échographie du sous-sol : la sismique réflexion. La sismique donne une image du sous-sol, mais cette image est floue et n’est pas parfaitement fiable. Il faut des personnes compétentes et expérimentées pour l’interpréter : les géophysiciens. Et il est aussi nécessaire de s’appuyer sur les connaissances régionales : études, géologie de surface, forages déjà réalisés… Enfin il faut il faut mettre en commun toutes les études faites, en essayant de ne rien oublier dans le raisonnement qui conduit à dire que « là, il faut forer car il y a de bonnes chances d’y trouver du pétrole» ! Ainsi nous pouvons dire qu'explorer le sous-sol est un travail d'équipe. 

  

  

Le forage, mode d'emploi

Les forages atteignent souvent des profondeurs de 2 000 à 4000 m, allant parfois jusqu’à 6000 m. Pour y parvenir, on creuse un trou. Le derrick (ou mât) est le support du système de forage. C’est une tour métallique d’une trentaine de mètres de hauteur, qui sert à introduire verticalement les tiges de forage.

Le trépan est muni de dents ou de pastilles en acier très dur.

 

Au bout de la première tige, il y a l’outil de forage, en général un tricône (trépan) muni de dents ou de pastilles en acier très dur. Le trépan attaque la roche un peu en appuyant mais surtout en tournant à grande vitesse : il la broie en petits morceaux. A mesure que l’on s’enfonce dans le sous-sol, on ajoute une nouvelle tige de 9 m en la vissant à la précédente et ainsi de suite. L’ensemble des tiges avec son trépan qui creuse au bout s’appelle le train de tiges. Pour les roches très dures, les dents des trépans ne sont pas assez solides.

 

 

Le tubage

On utilise des outils en un seul bloc sertis de diamants (car rien ne peut y résister). Pour que le trou ne s'effondre pas, on pose un gros cylindre creux en acier sur toute la longueur du trou (comme les tiges, on le descend par segments que l’on visse les uns aux autres). C’est le tubage. Une fois le dispositif installé, on recommence à forer mais le diamètre du trou se rétrécit: le tubage qui vient d'être posé prend de la place et amène donc le diamètre initial à être réduit ( par exemple, un trou de forage ayant un diamètre initial de 50 cm va se retrouver avec un nouveau diamètre de 20 cm après la pose de tubages).

  

  

Quel est le principe de la production ?

Il s’agit de générer au fond des puits de pétrole une pression inférieure à la pression du réservoir. Ainsi, sous l’effet de la différence de pression, les hydrocarbures vont se diriger vers le puits et remonter vers la surface. 
Parfois, la pression du gisement est suffisante pour que les hydrocarbures remontent d’eux-mêmes jusqu’à la surface, ils sont alors qualifiés d' « éruptifs ». Mais cela peut aussi arriver que les puits ne soient jamais éruptifs. Dans tous les cas, la pression du gisement diminue au fur et à mesure que l’on produit. Au bout d’un certain temps, on ne peut plus produire de manière éruptive. Il faut alors provoquer la production. C’est ce que l'on appelle la récupération assistée.

En arrivant à la surface, les effluents des puits de production vont commencer leur circuit dans les installations de surface:

  Principe de la production pétrolière par grands fonds.

On ne produit pas tout le pétrole contenu dans le sous-sol. Suivant les types de réservoirs, la récupération varie de 10 à  50 % pour les gisements de pétrole.

 

  

Le transport du pétrole

Que le transport du pétrole des lieux de production vers les raffineries se fasse par voie maritime ou par voie terrestre, la chose primordiale est celle de la sécurité et du respect de l’environnement. En mer, le maximum doit être fait pour éviter les marées noires. Sur terre, l’état des oléoducs doit être surveillé et le matériel usé, remplacé.

  Oléoduc par voie terrestre

 

  Vue du Tanker iranien Iran Dena, arrimé à la bouée de chargement du FPSO (Floating Production Storage and Offloading) Girassol, champ offshore en eaux profondes, en Angola.

 

 

Le raffinage, mode d'emploi

La question que l'on se pose est simple: Comment traite-t-on un brut, ce mélange de molécules des plus légères aux plus lourdes ? Pour cela on commence un e procédure où l'on va le chauffer et provoquer son évaporation progressive (exemple: quand on chauffe une casserole remplie d’eau, de petites bulles apparaissent d’abord avant 100 °C : ce sont les gaz dissous dans l’eau qui s’échappent. Puis, à 100°c, l’eau se met à bouillir et s’évapore complètement. A la fin de lévaporation, on trouve au fond de la casserole des résidus blanchâtres de sels, qu’il faudrait chauffer à très haute température pour qu'ils s'évaporent). Pour le pétrole, c’est le même principe.

Le brut qui entre dans une raffinerie va subir plusieurs procédés opératoires afin de le transformer en produits dont les industriels ou nous-mêmes avons besoin au quotidien. Pour cela on compte trois grandes familles d’opérations : 

- la séparation, pour déboucher sur différents types de produits, des plus lourds aux plus légers,

- la transformation (ou conversion), pour modifier les proportions naturelles des types de produits pour répondre à la demande des consommateurs,

- l’amélioration, pour éliminer les composants indésirables et modifier les caractéristiques de certains produits pour les rendre compatibles aux normes.

 

La séparation se fait par distillation fractionnée. Le pétrole est injecté à la base d’une tour de 60 m de hauteur, appelée topping ou colonne de distillation atmosphérique (parce que la pression utilisée est proche de la pression atmosphérique). Une fois là, on le chauffe à 350/400 °C. La majeure partie s’évapore et commence à monter dans la tour. Suite à cela, il ne reste au fond de la tour que les produits très lourds ainsi que les résidus. Au dur et à mesure  que les vapeurs montent, la température diminue. Les fractions les plus lourdes de ces vapeurs vont se condenser en liquides, qu’on pourra récupérer sur des plateaux situés à différents étages dans la tour. Et ainsi de suite, jusqu’en haut de la tour où la température est de 150°c. Là, on récupère les dernières vapeurs qui ne se sont pas condensées, ce sont les gaz de pétrole. Ce principe permet de récupérer une dizaine de types de produits, des bitumes jusqu’au gaz, que l'on appelle des coupes pétrolières. Mais les résidus lourds contiennent encore une proportion notable de produits de densité moyenne. On les soumet donc à une deuxième distillation plus poussée, la distillation sous vide. En haut de la colonne de distillation sous vide, on récupère du gazole et à sa base des fiouls lourds.

 Colonne de l’unité de distillation atmosphérique de la raffinerie de Provence à La Mède (France).

 

 

La conversion  : beaucoup de produits légers sont demandés, mais la séparation a donné des quantités de produits lourds. On va alors casser les molécules lourdes en petits morceaux! La majeure partie de la conversion de produits lourds en produits légers s’appelle le craquage catalytique. Il s’effectue à haute température : 500°c, en présence d’un catalyseur (c’est-à-dire d’une substance favorisant les réactions chimiques sans y participer directement). Ce traitement est très énergique : plus des ¾ des produits lourds sont transformés en gaz, essence et gazole. Le résultat  sera encore plus efficace si on ajoute de l’hydrogène (hydrocraquage) et si on fait intervenir des procédés d’extraction du carbone (conversion profonde). En fait, tous les lourds sont transformables en légers, mais ces opérations coûtent très cher et les conversions profondes consomment énormément d'énergie.

  Vue de l’unité de craquage catalytique de la raffinerie de Donges (France). Présence d’un catalyseur fluidisé.

  

 

L’amélioration : les produits issus des deux opératios précédentes doivent être débarrassés des molécules corrosives ou néfastes pour l’environnement, en particulier le soufre.

La désulfuration du gazole s’effectue à 370°c, sous 60 bars de pression et en présence d’hydrogène. Les atomes de soufre quittent les hydrocarbures pour l’hydrogène en donnant du sulfure d’hydrogène  H2S.   Ce derniere sera enfin manipulé pour devenir du soufre.

 

Unité de désulfuration de la raffinerie d’Anvers (Belgique).

Les normes européennes sur les émissions de soufre dans l’atmosphère sont très sévères. Elles le sont plus encore depuis le 1 er janvier 2005 : les raffineurs auront quelques années pour s’y conformer, c’est-à-dire pour réformer leurs unités de désulfuration pour diminuer encore la teneur en soufre des carburants.

 

 Petite animation récapitulative:

 

 

 

 

 

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