1)Introduction
Le pétrole brut est un matériau connu depuis des milliers d’années. Récolté aisément dans des dépôts de surface, on l’employait jadis pour calfeutrer les coques des bateaux, pour imperméabiliser des vêtements ou pour allumer des torches. A la renaissance on l’utilisait même à des fins médicinales. Pendant la révolution industrielle, les changements de meurs entraînèrent une forte demande de combustible pour lampe. Grâce aux méthodes de raffinage développées par le canadien Abraham Gessner le pétrole s’est ainsi rapidement imposé comme un produit peu cher et pratique. Ce qui lança réellement l’exploitation industrielle des gisements. De nos jours, le pétrole représente 40% de la production énergétique mondiale, contre environ 25 % pour le charbon.
2)formation
Le pétrole s'est formé sous la surface de la terre, par suite de la décomposition d'organismes marins. Les restes de minuscules organismes vivant dans la mer et, dans une moindre mesure, ceux des organismes terrestres qui sont entraînés vers la mer par les rivières et des plantes qui poussent sur le fond des océans, sont mélangés aux sables fins et aux sédiments qui se déposent sur le fond des bassins marins. Ces dépôts, riches en matières organiques, sont les roches sources de la génération de pétrole brut. Le processus a commencé il y a des millions d'années avec le développement d'une vie abondante et il se poursuit encore aujourd'hui. Les sédiments s'alourdissent et tombent au fond de l'eau sous l'effet de leur propre poids. Au fur et à mesure que les dépôts supplémentaires s'empilent, la pression exercée sur ceux qui se trouvent en dessous augmente plusieurs milliers de fois et la température s'accroît de plusieurs centaines de degrés. La boue et le sable durcissent pour former des schistes argileux et du grès; le carbone est précipité et les coquilles de squelettes durcissent et se transforment en calcaire; les restes des organismes morts sont ainsi transformés en pétrole brut et en gaz naturel.
Etapes de la formation du pétrole et quelques exemples de pièges
3)Composition et type de petrole
Le pétrole est un produit constitué d'une multitude de molécules composées d'atomes de carbone et d'hydrogène uniquement, on parle d'hydrocarbures.
Ces différentes molécules sont caractérisées par le nombre et la structure des atomes de carbone. La chimie minérale distingue quatre grands types d'hydrocarbures en fonction de la nature des liaisons atomiques entre atomes de carbone:
- les alcanes : ce sont les molécules dont la chaîne d'atomes de carbone est composée de liaisons simples, c'est une chaîne aliphatique saturée. Le nombre de carbone varie le plus souvent entre 1 et 20. Autrefois, les alcanes étaient appelés paraffines.
Exemples : le méthane, le butane, l'hexane. Formule brute : Cn H2n+2.
Un groupe d'alcanes est particulier, ce sont les cycloalcanes dont la chaîne d'atomes de carbone contient au moins un cycle hexane ou pentane. Exemples : le cyclohexane, le méthyl cyclopentane. Formule brute : Cn H2n
- les alcènes ou carbures éthyléniques : ce sont les molécules dont la chaîne d'atomes de carbone contient une liaison double. Le nombre de carbone varie le plus souvent entre 2 et 20. Autrefois, les alcènes étaient appelés oléfines.
Exemples : l'éthylène, le butène, l'isobutène. Formule brute : Cn H2n
Il existe trois grandes classes de pétrole brut : les types paraffineux, les types bitumeux et les types à base mixte. Les premiers sont composés de molécules dans lesquelles le nombre d'atomes d'hydrogène est toujours le double plus deux du nombre d'atomes de carbone. Les molécules caractéristiques dans les types bitumeux sont les naphtènes, faites de deux fois plus d'atomes d'hydrogène que d'atomes de carbone. Dans le groupe à base mixte, on trouve à la fois des hydrocarbures paraffinés et des naphtènes.
4)Exploration du petrole
Pour chercher le pétrole brut sous la surface de la terre, les géologues doivent rechercher un bassin de sédimentation dans lequel des schistes riches en matière organique ont été enfouis suffisamment longtemps pour que le pétrole ait pu se former. Celui-ci doit également avoir la possibilité de migrer à travers des porosités (materiau poreux) capables de retenir de grandes quantités de liquide. L'apparition du pétrole brut dans la croûte terrestre est limitée par ces deux conditions, qui doivent être remplies simultanément, en plus des dizaines de millions, à une centaine de millions, d'années nécessaires à sa formation. Toutefois, les géologues et les géophysiciens ont plusieurs outils à leur disposition pour identifier les zones potentielles de forage. Ainsi, la cartographie de surface des affleurements de lits sédimentaires rend possible l'interprétation des caractéristiques de sous-surface.
Cette première approche est complétée par des informations obtenues par le forage de la croûte et par le prélèvement d'échantillons ou de carottes des couches de rochers rencontrées. De plus, des techniques sismiques de plus en plus sophistiquées (comme la réflexion et la réfraction des ondes sonores propagées à travers la terre) révèlent des détails de la structure et de l'interrelation de différentes couches de sous-surface. En dernier recours, la seule manière de prouver que du pétrole se trouve sous la surface n'en reste pas moins le forage d'un puits. En fait, la plupart des régions pétrolifères dans le monde ont, au préalable, été identifiées par la présence d'affleurements de surface, et la majorité des réserves effectives ont été découvertes lors de forages sauvages, probablement fondés aussi bien sur une certaine intuition que sur une approche plus scientifique.
5)Raffinage du petrole brut
Il existe plus de trente procédés unitaires de raffinage du pétrole ou des sous-produits du pétrole.La première étape est une distillation à pression atmosphérique, le brut est chauffé à .350°C dans une colonne de 60 m de haut. Les composés dont la température d'ébullition est inférieure à 350°C se vaporisent et montent dans la tour. Les vapeurs se condensent lorsqu'elles ont atteint l'altitude qui correspond à leur température de rosée. Les produits se séparent ainsi, se condensant tout au long de la tour, les plus légers (basse température de rosée, environ 30°C) sont récupérés en haut de la tour, les plus lourd restent en bas. La colonne est divisée en différents étages qui correspondent à différentes températures et permettent ainsi de récupérer des produits de moins en moins lourd en allant du bas vers le haut de la colonne.
Les résidus de cette distillation sont soumis à une distillation sous vide, ce qui permet d'abaisser les températures d'ébullition. On obtient alors du gazole, des distillats lourds et un résidu qui entre dans la composition des bitumes ou des fiouls lourds.
MECANISME DE DISTILLATION DU PETROLE
En fonction des produits souhaités, des procédés de craquage, viscoréduction, filtration, lavage, extraction au solvant, isomérisation, reformage, alkylation et désulfuration peuvent être utilisés et combinés.
Le craquage correspond à une réduction de la taille des molécules. Il peut être thermique ou catalytique. La viscoréduction est un exemple de craquage thermique et permet de réduire la viscosité des résidus lourds issus de la distillation sous vide en "coupant" ces produits. On obtient par exemple des fiouls lourds.
Un craquage catalytique transforme du distillat lourd (issu de la première distillation) en petites molécules : gaz, essences et gazole.
Le reformage catalytique est un processus d'amélioration des naphtas lourd pour obtenir des essences dont l'indice d'octane est élevé.
Le procédé de raffinage consiste à fractionner le pétrole brut en un certain nombre de fractions et à le séparer des impuretés. Chaque fraction possède son propre point d'ébullition. C'est la raison pour laquelle le pétrole brut est réchauffé jusqu'à environ 350-370°C pour passer à l'état de vapeur. Les vapeurs sont introduites dans la tour de distillation. Les vapeurs s'élèvent dans la tour de distillation tout en étant refroidies. Le point d'ébullition des fractions lourdes est élevé, celui des fractions légères est bas. Les fractions plus lourdes vont donc se condenser en premier. Les fractions plus légères continuent de s'élever dans la tour. Enfin, on obtient sur certains plateaux de la tour des produits répondant aux caractéristiques souhaitées :
-niveau supérieur (point d'ébullition < 150°C) : fabrication des gaz et des essences
-premier soutirage : kérosène et solvants
-deuxième et troisième soutirages : gasoil de chauffage et diesel
-fond de la tour (> 370°C) où le cracking et la distillation sous vide permettent d'obtenir des fractions plus légères
PHOTO D'UNE RAFFINERIE DE PETROLE
6)Les secteurs d'activité
Le pétrole est un produit stratégique utilisé dans un grand nombre de secteurs très différents des uns des autres:
-Les carburants(GPL, essence, gazole, carburéacteur):
Industrie automobile, aviation
-Les combustibles(fioul domestique, fioul lourd):
Chauffage domestique, chauffage urbain, transport maritime, locomotives, fours industriels.
Dans l'industrie :
cimenteries, tuileries, papeteries, verrerie et usines thermiques (production d'électricité).
-Les lubrifiants :
Huiles pour moteur, huiles pour transmission automatique ou hydraulique.
Huiles de procédés : utilisées dans les encres, les insecticides, le caoutchouc
Huiles blanches pharmaceutiques.
Graisses : essentiellement dans les roulements à bille.
Les cires : encaustiques, enduction de tissu, protection des métaux.
Les paraffines : emballages, produits d'entretien, produits pharmaceutiques, explosifs, imperméabilisation du bois.
-Les bitumes :
Revêtement routier, étanchéité des bâtiments, isolation, anticorrosion...
Les gaz :
Usage domestique
-Les bases pétrochimiques:
Polymères :
plastiques, isolants.
Fibres synthétiques : nylon.
Caoutchoucs synthétiques.
Solvants : encres d'imprimerie, peinture, colles, teintureries.
Détergents.
Agronomie : pesticides.
7)Productions mondiale et problemes des reserves
Evaluer les réserves de pétrole est une question importante afin de gérer au mieux cette ressource non renouvelable. En effet, une fois l'ensemble des ressources pétrolifères épuisées, cette source d'énergie sera définitivement tarie. Cependant les réserves évoluent sans cesse, et contrairement à ce qu'on pourrait penser les réserves identifiées (ou prouvées) n'ont jamais été aussi importantes qu'à l'heure actuelle : les estimations varient entre 140 Gt (giga tonnes ou milliards de tonnes, équivalent à 1050 Gb ou giga barils) d'après le Oil and Gas Journal (OGJ) et 160 Gt (1200 Gb) d'après l'US Geological Survey (USGS). En se basant sur la consommation actuelle de pétrole, ces chiffres nous mèneraient entre 53 et 63 ans de production (suivant les ressources).
Le tableau ci-dessous indique la répartition des réserves de pétrole prouvées en fonction des différentes zones géographiques de production.
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