Ptrole: origine, production et traitement

Uni

on P

tro

lire

ww

w.t

he

ag

en

cy.

ch

23

Formation du ptrole 4

Au fond de la Terre 6

Rserves mondiales de ptrole 8

Trouver et extraire du ptrole 10

Transport sur terre et sur mer 16

Traitement et raffinage du ptrole 18

Le ptrole sest form au cours de millions dannes. Avant de le transformer enproduits indispensables la vie moderne, il faut le transporter sur de trs longuesdistances. La prsente brochure met en relief la formation du ptrole, son extrac-tion, transport et raffinage.

Long parcours

21 3

Eau Micro-organismes Sdiments Ptrole Gaz naturel

Le ptrole, dont les rserves dterminent notre quotidien, sest form, il y a 20 350millions dannes, dans les bassins sdimentaires peu profonds des ocans. Les plusanciens gisements connus remontent quelque 500 millions dannes, les plus r-cents 4000 ans peine. A cette poque, comme de nos jours, des micro-organismesanimaux et vgtaux - le plancton - flottaient dans les couches suprieures destendues deau car la lumire est indispensable leur survie. Lorsquils mouraient,leurs restes se dposaient au fond des ocans, o ils se sont accumuls et mlangsaux boues sous-marines pour former des couches de sdiments riches en matiresorganiques.

Mlange complexeDans les fonds marins, pauvres en oxygne, les restes de plancton ne pouvant plus sedcomposer se sont transforms, au cours des millnaires, en un mlange complexedhydrocarbures: le ptrole. Cette transformation na t possible que par des proces-sus chimiques et biologiques continuels, des tempratures de 65C 120C et sousforte pression.

Roche-magasinLes minraux des boues abyssales se sont solidifis en roche poreuse, o le planctona pu se transformer. La roche-magasin est un ensemble de couches gologiques im-prgnes dhydrocarbures. Cest pourquoi, le ptrole se prsente toujours emprisonndans des formations rocheuses, et jamais sous forme dun lac souterrain.

Dpt de micro-organismes, recouvert de matriaux impermables. Transformationpar des bactries anarobies

Tassement et solidification des couches de sdimentation. Autre transformation sousleffet de la pression et de llvation de la temprature

Plissement des couches de sdimentation. Migration et sdimentation de gaz, dhuileet deau

Formation du ptrole

45

Formation du ptrole

Formation du ptrole

Prcambrien Palozoque Msozoque Cnozoque

Art

icu

ls

Inse

ctes

Poi

sson

sV

gt

aux

terr

estr

es

Rep

tile

s

Vg

tau

x di

coty

ldo

nes

Epo

que

glac

iair

eH

um

ain

s

Mam

mif

res

Ois

eau

x

Din

osau

res

Millions dannes

570 500 440 410 360 290 250 210 140 65 2

Pre

mie

rs m

icro

-or

gan

ism

es

Vert

br

s

Ext

inct

ion

des

din

osau

res

Gen

se

du m

onde

4600

Priodes de la formation du ptrole

1

2

3

Le ptrole ainsi form, dune densit plus faible que la formation rocheuse environ-nante, cherche naturellement remonter vers la surface par les pores de la roche.Parfois, il remonte la surface et schappe sous forme de suintements de bitume.De tels gisements ptrolifres taient dj utiliss par nos aeux au dbut de notrehistoire.

Piges ptroleToutefois, en maints endroits, des couches de roche impermable arrtent la progres-sion du ptrole. Et quand il ne peut schapper latralement, le ptrole sy accumule.Ces formations gologiques sappellent des piges ptrole.

Formation des anticlinauxLes piges ptrole se sont forms au cours de l'orogense, o ces couches d'ac-cumulation se sont plisses, souleves, dchires et disloques. Le pige ptrolele plus caractristique et le plus frquent est lanticlinal, o le plissement de la rochea form une vote. Le ptrole saccumule aussi dans des failles produites par descassures de lcorce terrestre, ou autour des couches souterraines de sel. Un grandnombre de ces gisements ptrolifres contiennent du brut recouvert de nappes degaz naturel.

Au fond de la Terre

67

Faille tectonique2 Pige anticlinal1 Dme de sel

21

3

PtroleGaz naturelCouches aquifres permablesCouches impermables

Piges ptrole

en milliards de tonnes (2003)

Amrique du Nord (Mexique inclus)6,4

Eurasie13,3

Afrique10,3

Moyen-Orient93,4

Extrme-Orient5,2

Amrique du Sud14,1

Rserves de ptroleLes conditions gologiques les plus favorables la formation du ptrole se sont pr-sentes dans lactuel Moyen-Orient, voil plusieurs millions dannes. Deux tiers desrserves connues se trouvent dans la pninsule dArabie. LArabie saoudite dtient elle seule 36 milliards de tonnes de ptrole, soit prs dun quart des rserves mondiales.

Autour du globeDautres gisements ptrolifres importants se trouvent en Irak, dans les Emirats arabesunis, au Kowet et en Iran. LAmrique du Sud (Venezuela et Mexique) recle aussi dnor-mes quantits de ptrole, de mme que la rgion de la mer Caspienne et lAfrique duNord (notamment la Libye et le Nigeria). De nombreux champs ptrolifres plus petitsse trouvent rpartis dans le monde. Les rserves europennes se situent essentielle-ment en mer du Nord.

Rserves traditionnelles et non traditionnellesLes rserves de ptrole se rpartissent en deux groupes. On dsigne par rservestraditionnelles, les gisements exploitables conomiquement grande chelle, par lestechniques actuelles. La plupart des gisements du Moyen-Orient appartiennent cegroupe. Le ptrole des gisements non traditionnels est visqueux ou fix dans la roche;lextraire engendre des cots trs levs. Le continent amricain dispose dnormesrserves ptrolires non traditionnelles sous forme de sables asphaltiques, schistesbitumineux et dhuile lourde.

Rserves mondiales de ptrole

89

Etudes sismiques

3 Vhicule denregistrement des mesures2 Gophone1 Vibrateur

2 2 2 21

3

La recherche du ptrole est appele exploration en jargon ptrolier. Les gologuesdisposent de techniques modernes pour dceler les formations rocheuses suscep-tibles de contenir du ptrole.

Etudes sismiquesAujourdhui, les tudes sismiques constituent la plus importante mthode de recher-che du ptrole. On sait que les ondes sismiques se propagent des vitesses diffrentesselon la constitution du sol. Comme les ondes du son ou de la lumire, les ondes sis-miques sont rfractes ou rflchies lorsquelles passent dune formation rocheuse une autre.

La mthode sismologique consiste envoyer dans le sol des vibrations sous formede minuscules tremblements de terre. Les ondes sismiques rfractes et rflchiessont enregistres par des gophones, appareils de mesure ultrasensibles. Des or-dinateurs performants traitent les donnes et fournissent une image tridimension-nelle du sous-sol gologique.

Forages dexplorationAu cours des cinquante dernires annes, des mthodes modernes de recherchegologique ont nettement augment les chances de dcouvrir de nouveaux champsptrolifres. Mais seul un forage dexploration peut rvler si la structure rocheuseprsume contient effectivement des hydrocarbures.

En cas de forage concluant, il faut valuer ltendue, la qualit et le rendement du gisement dcouvert. On ne procdera aux premiers forages de production quesi lexploitation commerciale du gisement est tablie.

Trouver et extraire du ptrole

1011

Etudes sismiques

AB

CD

2

1

3

4

1 2

3 4

Tour de forage

Table de rotation Bloc dobturation du puits

Curage Circuit du liquide de curage

A Curage contenant des dbrisB Tamis pour liquide de curageC Dbris rocheuxD Liquide de curage

1213

Technique de forageTechnique de forage

La plupart des puits sont fors verticalement au moyen dun trpan suspendu 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 trpan. A une certaine profondeur, on met en place les tubesde cuvelage pour stabiliser le forage.

La pression du puits pourrait faire jaillir le ptrole et le gaz la surface (blow-out).Cest pourquoi, on quipe le forage dun bloc dobturation du puits (BOP), dispositif descurit indpendant.

Un liquide de curage inject dans le train de tiges ressort par les orifices du trpan etremonte la surface en entranant les dbris rocheux. Ces derniers donnent des indi-cations sur la nature des roches traverses. Ce liquide refroidit et lubrifie en mmetemps loutil de forage et, par la pression quil exerce, prvient les infiltrations deau etles fuites de ptrole.

Le liquide de curage remont la surface est alors dbarrass des dblais quil contient,puis rinject dans le train de tiges.

Les forages verticaux ou dvis atteignent aussi des gisements difficiles daccs.

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 partir de plates-formes flottantes ou fixes, avec en principe les mmes techniques que les installationsonshore. Elles sont cependant soumises des conditions mtorologiques plus svres,do une ralisation plus complexe et des investissements bien plus levs. A la recher-che de nouveaux gisements ptrolifres, les quipes de forage sengagent toujours plusdans des secteurs difficiles. Aujourdhui, on effectue des forages ptroliers aussi biendans lArctique que dans les eaux profondes du golfe du Mexique.

Du ptrole en Suisse?En Suisse aussi, on a procd une trentaine de forages ptroliers, notammentdans la rgion du Mittelland. Ils nont rien donn et aucun gisement conomiquementexploitable na t dcouvert. Depuis le dbut des annes quatre-vingt, lexplorationptrolire nest plus dactualit dans notre pays.

Trouver et extraire du ptrole

1

2

3

4

Extraction amliore par injection de vapeur et adjonction de produits chimiques

Extraction par injection deau

Extraction au moyen de pompes balancier

Extraction par injection de gazExtraction par pression naturelle du gaz et de leau

PtroleGaz naturelCouches aquifres permablesCouches impermables

Exploitation primaire

Exploitation secondaire Exploitation tertiaire

Systmes dextraction

1415

Extraction par pression naturelleLexploitation varie dun gisement lautre. Le ptrole fluide soumis une forte pres-sion et contenant de grandes quantits de gaz libr, monte dans le trou du forage sansaucune assistance. Dans les champs ptrolifres du Moyen-Orient, le ptrole remontele plus souvent la surface naturellement sous leffet de la pression, durant des annes,et sans intervention.

Extraction au moyen de pompesAvec le temps, toutefois, la pression faiblit. Ds que le ptrole ne remonte plus de lui-mme, on utilise des pompes. Cest limage de pompes balancier, appeles pompesdalimentation alternatives, ressemblant des ttes de chevaux (voir illustration)dont le mouvement lent, de haut en bas, caractrise la production ptrolire dans lemonde.

Extraction par pression de gazDe nombreux gisements de ptrole contiennent aussi du gaz naturel. Toutefois, lacommercialisation de ce gaz nest pas toujours possible, notamment dans des lieuxde production retirs, o linfrastructure ncessaire serait trop chre. On peut, enrevanche, utiliser le gaz disponible pour la production ptrolire en linjectant dansla roche autour du trou de forage. Le gaz se mlange alors au ptrole pour formerune lgre mousse qui remonte la surface sans autre assistance.

Extraction par pression hydrauliqueSi la pression intrieure du puits continue de faiblir, on injecte de leau qui pousse leptrole encore disponible vers le haut, dans le trou du forage.

Extraction laide de vapeur et de produits chimiquesPar injection de vapeur et adjonction de produits chimiques, on abaisse la tensionsuperficielle du ptrole afin quil se dtache plus facilement de la roche, do un plusgrand rendement.

Epuisement du gisementMalgr toutes ces astuces, le gisement spuisera, mme si tout le ptrole na putre pomp, loin de l. Une grande partie du ptrole reste emprisonne dans les poresles plus fins de la roche. Malgr tous les moyens dploys, on ne peut extraire plusde 50% du ptrole stock dans la roche. Ce taux est cependant nettement suprieur celui dil y a vingt ans o lon devait se contenter de 25%.

Trouver et extraire du ptrole

Un long chemin reste encore parcourir avant que le ptrole ne se prsente sous for-me de carburant ou de mazout. Son transport, des producteurs aux consommateurs,stend sur des milliers de kilomtres autour du globe. Un forage moyen produit quelque4000 tonnes de ptrole par an. Mais avant de transporter et traiter le ptrole, il fautliminer le gaz, leau sale et autres impurets quil contient.

Premier transport On lachemine ensuite gnralement par oloducs jusquaux raffineries ou au prochainport ptrolier. Contrairement une ide prconue, loloduc constitue le plus sr desmoyens de transport du ptrole. Il prsente toutefois un inconvnient: un cot de cons-truction lev et peu de flexibilit.

Transport maritimeQuelque 7400 ptroliers assurent lacheminement du ptrole et des produits ptroliersautour du globe. Les ptroliers gants ultra large crude carriers, dune capacit dechargement jusqu 400 000 tonnes, relient les grands ports ptroliers de la pninsuledArabie aux plus gros consommateurs des Etats-Unis et dAsie orientale. Les verylarge crude carriers, dune capacit jusqu 300 000 tonnes, et une multitude de pe-tits navires-citernes approvisionnent le reste du monde. On diffrencie clairement lesnavires qui transportent du ptrole brut (crude) de ceux destins lacheminementde produits ptroliers, comme lessence et le gasoil (mazout et diesel) ou le fioul lourd.

Scurit du transportLa scurit des transports reprsente lun des plus grands dfis de lindustrie ptro-lire. Mme si des naufrages spectaculaires font rgulirement la une des mdias, leurtaux daccidents est extrmement faible par rapport aux normes quantits transpor-tes. Des standards rigoureux pour la construction, lentretien et lexploitation desnavires-citernes sont ncessaires, pour assurer et amliorer la scurit aussi lave-nir. La responsabilit de la rglementation des standards de scurit de la navigationdes ptroliers incombe lInternational Maritime Organization (IMO), organisationspciale rattache lONU.

Transport en EuropeRotterdam est le plus important port de transvasement et de ngoce de produits p-troliers dEurope. De l, des pipelines ou des bateaux-citernes assurent le transportjusquaux raffineries, alors que lapprovisionnement des consommateurs en produitsfinis se fait par rail ou par route.

Transport sur terre et sur mer

1617

Transport sur route

Oloduc

Transport maritime

Alcane = paraffines normales

Exemple octane (C H )8 18

Iso-alcane = paraffines ramifies

Exemple iso-octane (C H )8 18

Cyclo-alcane = cycloparaffines

Exemple cyclohexane (C H )6 12

Alcne = olfines

Exemple pentne (C H )5 10

Aromatiques

Exemple benzne (C H )6 6

Traitement et raffinage du ptrole

1819

Pour obtenir la multitude de produits qui dterminent notre quotidien, le ptrole brutdoit tre fractionn et raffin. Le brut nest pas un produit homogne, mais un mlan-ge complexe dhydrocarbures des plus divers, de faibles quantits de soufre et de tra-ces doxygne, dazote et de mtaux.

Distillation la raffinerie A la raffinerie, ce mlange est chauff une temprature leve, puis fractionn en dif-frents liquides par distillation mme processus pour lalcool obtenu par distillationdu vin ou du cidre. La distillation spare le ptrole en diverses fractions, en fonctionde leurs diffrents points dbullition. On obtient ainsi du gaz liqufi, de lessence, dukrosne, du gasoil (mazout et diesel), de lhuile de chauffage lourde (fioul lourd) et dubitume. La distillation ne forme pas de nouvelles liaisons chimiques, mais fractionneseulement le ptrole en produits distincts, dont les quantits respectives varient sen-siblement selon le type de brut trait. Cest ce quon appelle la production lie, phno-mne caractristique de la fabrication des produits ptroliers.

Distillation atmosphriqueLa premire opration est la distillation atmosphrique du ptrole brut. Il est chauffet envoy dans une colonne de distillation. La temprature ne doit pas excder 350Cafin de prvenir une dcomposition des molcules dhydrocarbures. Les hydrocarbu-res qui se dgagent montent dans la colonne en se refroidissant. Les fractions ontchacune leur propre point dbullition. Celles qui se vaporisent en premier, des tem-pratures infrieures 350C, montent en haut de la colonne travers des plateaux clapets. Ce sont les fractions lgres. A chaque tage de fractionnement, les pro-duits obtenus sont soutirs par des conduites. Les gaz montent le plus haut, alorsque lessence, le krosne et le gasoil se condensent sur les plateaux infrieurs. Lesfractions les plus lourdes restent au fond de la colonne et forment un rsiduquon ne peut plus distiller, mme des tempratures trs leves.

Distillation sous videPour pouvoir le traiter de nouveau, ce rsidu est chauff et envoy dans une secondecolonne, lunit de distillation sous vide, dans laquelle on a cr un vide partiel. Ce pro-cd abaisse les points dbullition de quelque 100C, ce qui permet de rcuprer dau-tres fractions. Toutefois, cette opration ne vaporise pas toutes les fractions du brut. Lersidu de la distillation sous vide servira comme huile de chauffage lourde ou, selon laqualit du brut utilis, la fabrication du bitume pour la construction des routes.

Elments du ptrole brut

Ptrole brut

Distillation Conversion: TransformerReconstituerFragmenter

SparerDsulfurer

Mlanger Produits finis

Ptrole brut

Distillation atmosphrique

Gaz

Essences

Distillat moyen

Rsidu de ladistillation

Unit de sparation des gaz

Reformage

Krosne

Essence pour moteurs

Gaz liqufis

Carburant diesel

Mazout

Soufre

Huile lourde

Bitume

Distillation sous vide

Gasoil

Rsidusous vide

PolymrisationAlcoylation

Fabrication dhuile de base

Craquagethermique

Craquage catalytique

Hydrocraquage

Dsulfuration de lessence

Dsulfuration du distillat moyen

Unit de mlange des essences

Unit de mlange du gasoil

Unit de mlange de fioul lourd

Fabrication de lubrifiants

Unit de fabrication du bitume

Lubrifiants

Traitement et raffinage du ptrole

2021

Craquage Dans la vie de tous les jours, la demande porte essentiellement sur des produits lgers,comme les carburants et le mazout (appel aussi huile de chauffage extra-lgre HEL).La demande dhuile de chauffage lourde (fioul lourd), en revanche, diminue danne enanne, notamment en Suisse. Do lintrt des raffineries daugmenter la productionde produits lgers. Cest pourquoi, de nombreuses raffineries modernes sont qui-pes dune unit de craquage, procd qui consiste casser les grosses molculesdes fractions lourdes du rsidu, en molcules plus petites plus forte valeur ajoute.Trois procds de craquage caractrisent les raffineries modernes: craquage ther-mique, craquage catalytique et hydroconversion.

RaffinageAprs les oprations de distillation et de craquage, commence le raffinage proprementdit: llaboration des produits obtenus. Cela comprend, dune part, la transformationchimique des hydrocarbures en liaisons de plus haute valeur (conversion) et, dautrepart, llimination de substances indsirables (par exemple le soufre). Le reformageet lisomrisation sont des procds de modification de la structure molculaire deshydrocarbures. Ils sont utiliss, par exemple, pour amliorer lindice doctane, cest--dire renforcer la rsistance de lessence la compression et lauto-allumage.

DsulfurationLa dsulfuration des combustibles et des carburants profite lhomme et lenvironne-ment. En Suisse, lOrdonnance sur la protection de lair (Opair) limite les teneurs ensoufre de lessence, du diesel, du mazout et du krosne. Le soufre est un composantnaturel du ptrole. La teneur en soufre varie fortement selon la provenance du brut.Les raffineries doivent dsulfurer les produits afin de satisfaire aux valeurs prescritesdont la limite sabaisse constamment. Lopration de dsulfuration consiste transfor-mer les composs du soufre en hydrogne sulfur par hydrognation catalytique. Lesfractions traiter, mlanges de lhydrogne, passent, sous haute pression et hautetemprature, travers un catalyseur o le soufre se combine avec lhydrogne pourdonner de lhydrogne sulfur. Ce dernier est trait ensuite dans une autre installationo lon rcupre le soufre, matire premire pour lindustrie chimique. Aujourdhui,toutes les qualits dessence et de diesel commercialises en Suisse sont quasimentexemptes de soufre.

Schma dune raffinerie

2223

En tant quassociation de lindustrie ptrolire de Suisse, lUnion Ptrolire fournitdes informations sur le transport, le raffinage et lutilisation de produits ptroliers.

Des exemplaires supplmentaires de cette brochure, de la documentation sur dautres thmes, ainsi que la liste des publications sont disponibles auprs de lUnion Ptrolire.

EditeurUnion Ptrolire, Lwenstrasse 25, 8001 ZurichTl. 01 218 50 10, Fax 01 218 50 11, info@swissoil.ch, www.swissoil.ch1e dition 2003

CopyrightLutilisation du contenu de cette brochure est autorise avec mention de la source.

Le monde du ptrole srie de publications de lUnion Ptrolire