Formation, composés et formules du pétrole

Pétrogenèse et formation

Le pétrole, appelé aussi "huile" ou "pétrole brut" est une énergie fossile qui se forme à entre 2000 de 4000m de profondeur (sous la surface de la Terre) durant 20 millions à 600 millions d'années, c'est la décomposition sédimentaire.

Au départ, ce sont des micro-organismes, des végétaux, des animaux et des espèces planctoniques (cette matière organique constitue la  "biomasse") qui, en mourant, se sont déposés au fond des océans, des lacs, des deltas et des bassins sédimentaires. Cette biomasse est détruite par des bactéries, et seulement moins de 5% de cette biomasse restera au fond de ces milieux aquatiques. Ces composés organiques sont principalement faits à base d'atomes d'hydrogène et de carbone, mais aussi d'azote et d'oxygène. Le milieu, étant pauvre en oxygène, les restes de matières vont être très bien conservés. Ils s'accumulent avec des sédiments (sable et argile) et forment de lourdes couches de plusieurs dizaines de mètres, qui vont durcir et s'enfoncer naturellement dans le sol, ils forment la roche mère. Ces déchets organiques se retrouvent ainsi prisonniers de la roche mère d'où ils sont issus. Plus ces couches gagnent en profondeur (s'enfoncent dans l'écorce terrestre), plus la pression et la température augmentent. Tout d'abord à 1000m sous le plancher océanique, des bactéries font subir une transformation à la matière organique contenue dans la roche mère. Ces bactéries dites "anaérobies"(vivant dans un mileu pauvre en oxygène) enlèvent l'oxygène et l'azote de la matière organique, pour ne laisser que du carbone et de l'hydrogène. La matière organique devient du kérogène (substance intermédiaire entre la matière organique et les combustibles fossiles). Puis, l'enfoncement des couches se poursuit et sont alors chauffées à 120°C entre 2000m et 3000m de profondeur et jusqu'à 150°C à 4000m de profondeur. Au cours de ce processus, la décomposition de la matière organique devenue kérogène donnera  des hydrocarbures liquides et gazeux, ainsi que de l'eau. Plus simplement, un liquide nommé "pétrole" se forme.

Alors, la migration primaire va s'effectuer. A cause d'un fonctionnement encore non-compris (sûrement à cause de l'augmentation de la pression) le pétrole, l'eau et le gaz vont en partie être expulsés ou bien vont quitter leur place d'origine (la roche mère) et vont migrer vers une roche poreuse (la roche sédimentaire) qui est perméable. Ensuite va arriver la migration secondaire. En effet le pétrole va avoir tendance à remonter vers la surface. Soit il l'atteind sans obstacle (premier cas), soit il va être arrêté en rencontrant une formation géologique imperméable (second cas). Dans le premier cas, le pétrole va être attaqué et dégradé par des bactéries. Il formera des combustibles fossiles très lourds et des sables bitumineux. Dans le second cas, le pétrole est stoppé dans sa migration par une roche imperméable ou encore roche couverture. Pour contenir les produits explusés de la roche mère, cette roche imperméable doit avoir une forme géologique particulère : par exemple en forme de dôme. La roche sédimentaire où le pétrole se retrouve piégé, est nommée "la roche réservoir"(elle est située juste en dessous de la roche couverture).  Les hydrocabures vont s'accumuler dans cette roche qui aura l'effet d'une éponge qui va s'imbiber et absorber ces hydrocarbures en grande quantité. Elle devient donc un réservoir de pétrole, mais aussi de gaz et d'eau, qui ont migré en même temps que le pétrole. Ces trois produits sont rangés dans l'ordre de leur densité dans cette "éponge": eau, pétrole, gaz (du plus bas au plus haut dans l'écorce terrestre)[voir le schéma correspondant à la migration juste en dessous]. Ce réservoir naturel formé constituera un gisement type exploité par l'homme actuellement [voir la partie qui s'y réfère].

Nous ajouterons que c'est seulement 5% du pétrole contenu dans la roche mère qui sera explusé, le reste y restera piégé. Il est plus facile d'extraire le pétrole qui s'est échappé de la roche mère que celui qui y est resté : Il faut appliquer une exploitation particulière (fracturation hydraulique).

-Schéma représentant les migrations primaire et secondaire :

 

 

-Etapes schématisées des produits de la matière organique dans les sous-sols :

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Contrairement à ce que nous pensons, le pétrole n'est pas forcément noir, cela dépend de sa composition et de l'endroit d'où il est extrait (il peut être noir, marron ou même jaune).

Pour l'anecdote, le pétrole était avant utilisé pour calfater les navires (rendre imperméable leur coque) ou encore comme bitume pour les constructions : c'était le pétrole retrouvé à la surface. (premier cas de la seconde migration)

Formule chimique

La formule chimique du pétrole n'est pas toujours la même. En effet cette formule est différente en fonction de si le pétrole est brut ou s'il a été distillé ou vapocraqué. Les couches de pétrole, qui sortiront de la tour de distillation, n'auront pas non plus la même formule et leur formule changera encore après vapocraquage. Le pétrole en général est un composé organique, c'est-à-dire qu'il est composé de deux atomes principaux : les atomes de carbone et les atomes d'hydrogène. On appelle composé organique toute molécule faite à partir de ces deux atomes (ces molécules peuvent être complétées par d'autres atomes comme un atome d'oxygène ou encore un atome d'azote...) 

Le pétrole brut premièrement a une formule très complexe, puisqu'il est le mélange de toutes les matières organiques qui se sont décomposées avec le temps et n'a donc pas toujours la même formule. Cette formule pouvant changer en fonction du milieu dans lequel a été formé ce pétrole et en fonction des organismes qui se sont décomposés. Cependant, il sera toujours composé d'hydrocarbures, dont on distingue trois formes différentes en fonction des liaisons autour des atomes de carbone.

- Les Aromates

Les aromates sont des hydrocarbures faits à base d'atomes de carbone et d'hydrogène comme dit précédemment et ce sont des composés organiques. Leur particularité est que leurs atomes de carbones sont reliés entre eux pour former des suites de liasions : double, simple, double, simple, formant alors des doubles liaisons conjuguées dans la molécule. Ces atomes de carbone reliés entre eux forment des héxagones selon la formule topologique et on peut voir dans la formule, que les atomes d'hydrogène se situent autour de cet hexagone, chaque carbone étant relié à deux autres carbones et à un hydrogène. (ci-contre différentes formules d'un exemple d'aromates)

                                                                                                                  

- Les Alcanes

Les alcanes sont aussi des hydrocarbures à base de carbone et d'hydrogène mais cependant, leur structure est différente. En effet leurs atomes de carbone sont reliés uniquement à un autre atome de carbone ou deux en fonction de la position de l'atome dans la molécule et à un, deux ou trois atomes d'hydrogène en fonction de sa place dans la molécule encore (atome de carbone au bout de molécule qui est lié à un seul atome de carbone donc à trois hydrogènes). De plus, entre chaque atome ce n'est qu'une simple liaison. Il ne peut y avoir dans ces molécules de doubles liasons. (ci-conte différentes formules d'un exemple d'alcane)

                                                                                                                                     

- Les naphtènes

Les Naphtènes sont des hydrocarbures à base de carbone et d'hydrogène comme les deux précédents et leur particularité est que les atomes de carbone sont tous reliés entre eux mais forment cette fois des liaisons simples et non des laisons simples et doubles alternées comme les aromates. De ce fait, chaque atome de carbone va être relié à deux atomes de carbone et à deux atomes d'hydrogène. (ci-contre différentes formules d'un exemple de naphtène)

-                                                                                                                             

 

 

Une fois le pétrole passé dans la tour de distillation, ce pétrole chauffé va prendre différentes formes en fonction de la couche et de la température à laquelle il est chauffé. Plus le pétrole monte dans la tour plus il refroidit et perd en atomes de carbones et en atomes d'hydrogène pour se transformer en naphta pour les médicaments ou en essence pour les voitures. Ci-dessous l'image de la tour de distillation avec pour chaque couche son nombre d'atomes de carbones.

Exploitation

Le premier puits de pétrole à été construit par Edwin L. Drake en 1859, aux Etats-Unis. Depuis l'homme ne cesse d'exploiter cet "or noir" en construisant un nombre phénoménal de puits de pétrole.

Pour exploiter un gisement de pétrole, la première étape consiste à repérer un gisement qui serait suffisamment rentable pour être exploité et en tirer des bénéfices. On effectue des études sismiques par l'intermédiaire de "camions vibreurs". Ces camions envoient des ondes grâce à des plateaux, celles-ci se propagent dans le sol et sont réfléchies lorsqu'elles rencontrent une roche imperméable. Les ondes reviennent ainsi à la surface et sont récoltées par des géophones (câbles répandus autour du camion vibreur). En effet plus l'onde 

met du temps avant d'être reçue par ces géophones, plus la roche est profonde. On peut ainsi deviner la forme de la roche. Les informations et données récoltées sont informatisées et étudiées en laboratoire. On en fait une vue 3D qui permet de voir si cette roche mère est susceptible d'être une roche couverture, qui contient en dessous d'elle une roche réservoir. Grâce à cette vue 3D on est aussi capable de deviner approximativement le volume d'hydrocarbure qui pourrait être contenu dans ces pièges de roche imperméable. Mais cette étude permet juste de savoir s'il y a un terrain favorable, et non s'il y a du pétrole.

S'il y a un terrain favorable, on commence le forage. Pour creuser à 4000m de profondeur, il faut entre 2 et 3 mois (cela dépend de l'épaisseur et de la dureté des roches). Forer demande un entretien considérable des tiges et du trépan (outil de forage rotatif). Lorsqu'on passe la roche imperméable et qu'on arrive à la roche sédimentaire, on constate si le gisement contient du pétrole ou du gaz. Mais seulement 1 fois sur 7 ce gisement est exploitable, du moins "rentable". Pour savoir si un gisement est rentable, on prélève des "carottes" (échantillons de roche). Généralement, plus la carotte est noire, plus il y a de pétrole. Mais pour en être certain, il faut passer la carotte sous Ulta-Violets.(les zones fluorescentes prouvent la présence de pétrole) En étudiant ces carottes, on peut savoir la qualité du pétrole et même la quantité présente dans le gisement!

Ainsi, une fois que nous avons le gisement, nous pouvons l'exploiter. Il y a deux méthodes : exploitation par pompes (il faut pomper le pétrole car il n'y a pas assez de pression) ou par derrick (le pétrole remonte tout seul à la surface à cause de la pression). En effet, les gaz étant comprimés ou même dissouts dans l'eau et le pétrole lorsqu'il est prisonnier de la roche couverture, mais quand une ouverture se créée dans cette roche, le gaz se détend et entraine le pétrole à la surface.

On achemine le pétrole produit par pipeline vers les raffineries pour le convertir en gasoil, essence, kérosène,... [voir partie suivante]

Aujourd'hui (en 2013), on estime que le temps d'exploitation du pétrole avant l'épuisement des gisements exploitables actuels est de 42 ans. Mais tous les ans nous découvrons de nouveaux gisements donc nous pouvons repousser cette date limite : on peut dire qu'il nous reste encore 60 à 80 ans d'exploitation. (il reste encore beaucoup de zones à explorer)

Quelques chriffres : (chiffres de 2008/2009)

- Production et consommation de pétrole par jour dans le monde : environ 86 000 000 de barils US (1 baril US = 120L)

- 2/3 des réserves mondiales de pétrole sont concentrées au Moyen-Orient (Irak, Iran, Kowëit, Emirats Arabes Unis, Arabie Saoudite)

- Il reste beaucoup de nouveaux et gros gisements non exploités au Kazakstan, en Angola et au Congo.

- Classement de production mondiale: 1) Russie, 2) Arabie Saoudite, 3) USA, 4) Iran, 5) Chine, 56) France. (environ 110 pays producteurs)

- Classement de la consommation modiale: 1) USA, 2) Chine, 3) Japon, 4) Inde, 5) Russie, 12) France.

- Plus grandes réserves de pétrole connues: 1) Vénézuela, 2) Arabie Saoudite, 3) Canada, 4) Iran, 5) Irak.

Passage aux dérivés (pétrochimie)

Nous continuons sur l'exploitation du pétrole. Comme nous avons dit dans la partie précédente, le pétrole est acheminé par pipeline vers des raffineries.


En effet, nous ne pouvons pas utiliser le pétrole lorsqu'il est brut, il existe des hydrocarbures différents, qui varient en fonction de leur poids, celui-ci est lié au nombre d'atomes de carbone qui constituent sa molécule. Ces hydrocarbures ont des propriétés différentes, il faut donc les trier car chacun d'eux est utilisé différemment. L'étape de transformation du pétrole vers ses dérivés est la raffinerie. 

Dans la raffinerie, on va placer d'abord le pétrole dans un four pour le chauffer, celui-ci va migrer dans la tour de distillation.

Le pétrole sera chauffé à très forte température dans le four (jusqu'à 800°C). Les hydrocarbures vont se vaporiser et se séparer : les plus légers vont remonter en haut de la tour de distillation et vont refroidir. Quant aux plus lourds, ils vont rester en bas. On récupère ensuite ces différents hydrocarbures par couche grâce au principe de la condensation.

Les vapeurs hydrocarbures vont donc remonter et se refroidir passant d'environ 500°C à 30°C, ainsi ces vapeurs vont se condenser. Mais ces vapeurs se condensent (passer à l'état liquide) à des températures différentes en fonction de leur poids, c'est ainsi qu'on peut les séparer par couche.

- Les plus légers se condensent de 20°C à 40°C : on y récupère les gaz Butane et Propane mais aussi le GPL (gaz de pétrole liquide). (1 à 4 atomes de carbone)

- A environ 180°C on retrouve les essences qui vont servir de carburant ainsi que le Naphta qui sert en pétrochimie à faire du plastique et à faire une partie des médicaments (les excipients) en médecine. Mais aussi il sert à faire du Nylon et des solvants. C'est cette couche Naphta qui va nous intéresser plus tard. (6 à 10 atomes de carbone)

- A environ 250°C, on obtient le kérosène (essence pour les avion). (10 à 14 atomes de carbone)

- A 360°C, on a le gasoil à partir duquel on peut faire du fuel domestique pour les chaudières ou les radiateurs ainsi que du gasoil pour les moteurs. (14 à 19 atomes de carbone)

- A 400°C, on récupère de l'huile de base qui peut servir aussi à faire des lubrifiants. (molécules lourdes avec plus de 20 atomes de carbone)

- De 550°C à 800°C, on obtient les fuels lourds qui servent pour les centrales thermiques. On a aussi du bitume qui sert à faire des routes. (molécules extra-lourdes)


Schéma des couches de la tour de distillation :

 

 

Après cette opération, il en existe beaucoup d'autres, qui vont permettre d'affiner encore plus les produits obtenus.

Par exemple, on met le gasoil obtenu dans une colonne de distillation sous vide qui permet d'obtenir plus de gasoil. On arrive à séparer les produits lourds obtenus en les prenant à part et en augmentant la température au dessus des 360°C.

Sinon, à partir d'autre colonne, on peut faire du vapocraquage, c'est-à-dire qu'on casse des molécules lourdes pour en faire des plus légères. La pétrochimie est basée sur 2 types d'actions : le craquage à la vapeur et l'extraction. On peut donc faire de l'essence à partir de fuel. Cela permet d'adapter l'offre en fonction de la demande (adapter la production à la consommation) à partir du même pétrole !

Ce vapocraquage peut s'effectuer à partir de la couche naphta afin de faire des alcènes (éthylène et propylène) "mieux valorisés" c'est-à-dire plus performants et mieux adaptés à leur utilisation. L'éthylène et le propylène sont la base de l'industrie du plastique. Ils servent aussi à de nombreux domaines comme l'électrique, le textile, l'aéronautique, le cosmétique ou encore la pharmacopée. Ce sont ces alcènes que nous allons retrouver dans la fabrication de médicaments.

 

Support vidéo

Nous vous recommandons ce "c'est pas sorcier" récapitulant très bien les idées principales de la formation et de l'exploitation du pétrole.

Commentaires (2)

1. Gaet56 09/02/2013

Merci beaucoup, c'est clairement expliquer, c'est logique, moi qui avait du mal avec toute la formation du pétrole là c'est bien organisé.
Bon site ;)

2. Alex29 09/02/2013

Très bon site merci beaucoup pour votre aide j'ai un exposé sur le pétrole à faire au collège et j'ai tout compris

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