Pétrole

Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L’exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le pétrole fournit la quasi totalité des carburants liquides.

Géologie

Formation

Le pétrole est un produit de l’histoire géologique d’une région, et particulièrement de la succession de trois conditions :

• L’accumulation de matière organique, végétale essentiellement ;
• Sa maturation en hydrocarbures ;
• Son piégeage.

Ensuite, comme un gisement de pétrole est entrainé dans la tectonique des plaques, l’histoire peut se poursuivre. Il peut être enfoui plus profondément et se pyrolyser à nouveau, donnant un gisement de gaz naturel – on parle alors de « gaz thermogénique secondaire », par opposition au « gaz thermogénique primaire » formé directement par pyrolyse du kérogène. Le gisement peut également fuir, et le pétrole migrer à nouveau, vers la surface ou un autre piège.
Il faut ainsi un concours de circonstances favorables pour que naisse un gisement de pétrole (ou de gaz), ce qui explique d’une part que seule une infime partie de la matière organique formée au cours des ères géologiques se soit transformée en énergie fossile et, d’autre part, que ces précieuses ressources soient réparties de manière très disparate dans le monde.

• Accumulation de matière organique

En règle générale, la biosphère recycle la quasi-totalité des sous-produits et débris. Cependant, une petite minorité de la matière « morte » sédimente, c’est-à-dire qu’elle s’accumule par gravité et est enfouie au sein de la matière minérale, et dès lors coupée de la biosphère. Ce phénomène concerne des environnements particuliers, tels que les endroits confinés (lagunes, deltas…), surtout en milieu tropical et lors de périodes de réchauffement climatique intense (comme le silurien, le jurassique et le crétacé), où le volume de débris organiques excède la capacité de « recyclage » de l’écosystème local. C’est durant ces périodes que ces sédiments riches en matières organiques (surtout des lipides) s’accumulent.

• Maturation de la matière organique

Au fur et à mesure que des couches de sédiments se déposent au-dessus de cette strate riche en matières organiques, la « roche-mère » ou « roche-source », croît en température et en pression. Dans ces conditions, la matière organique se transforme en kérogène, un « extrait sec » disséminé dans la roche sous forme de petits grumeaux. Si la température devient suffisante (le seuil est à au moins 50° C, généralement plus selon la nature de la roche et du kérogène), et si le milieu est réducteur, le kérogène sera pyrolysé, extrêmement lentement.
Le kérogène produit du pétrole et/ou du gaz naturel. Si la pression devient suffisante ces fluides s’échappent, ce qu’on appelle la migration primaire. En général, la roche source a plusieurs dizaines, voire centaines de millions d’années quand cette migration se produit. Le kérogène lui-même reste en place, appauvri en hydrogène.

• Début de la partie kérogène

Le kérogène est la substance intermédiaire entre la matière organique et les combustibles fossiles. Charbon, gaz et pétrole se sont formés à partir d’organismes vivants (algues, plancton, végétaux continentaux…) qui ont vécu au cours des temps géologiques (du Cambrien au Tertiaire).
Cette formation est l’aboutissement d’un long processus de sédimentation qui nécessite une succession de phases bien particulières.

Évolution du kérogène

Étape 0 (ou pré-étape) : mort et sédimentation…
Sur notre planète, vivent et meurent en permanence, des multitudes d’organismes, composés pour l’essentiel de carbone, hydrogène, azote et oxygène. Ils constituent la biomasse. Une faible partie de cette biomasse sédimente à sa mort (lorsqu’elle se retrouve incluse dans des couches minérales sédimentaires en formation).

Etape 1 : formation d’un composé solide appelé kérogène
Tous les sédiments formés comportent une fraction de matière organique (1 % en moyenne), qui se retrouve « piégée » dans le sédiment minéral en formation. Cette fraction organique subit une première transformation par les bactéries en début de sédimentation, et conduit à la formation d’un composé solide appelé kérogène, disséminé. Cette dernière s’appellera la « roche mère ».

Bien qu’il ne soit présent qu’en faibles proportions dans les sédiments en règle générale, le kérogène représente, à l’échelle de la planète, une masse totale de 10 000 000 Gt. Seulement 0,1 % de ce kérogène forme le charbon. Le gaz et le pétrole représentent chacun 0,003 % du kérogène total en ordre de grandeur.

La formation proprement dite du kérogène commence par la formation de la roche dite mère : il s’agit initialement de boues dans lesquelles les molécules organiques sont présentes.
- Rappel : 1 Gt = 1 milliard de tonnes.

Étape 2 : évolution du kérogène par un début de pyrolyse
Les boues de sédimentation se solidifient en roches poreuses, dites roches mères, pouvant se retrouver à plusieurs centaines de mètres de profondeur (jusqu’à trois kilomètres pour les plus profondes), tandis que les matières organiques se transforment, en plusieurs phases, en eau et kérogène.

Étape 3 : le kérogène subit une pyrolyse complète

À partir de 50 à 120 °C, le kérogène subit, en anaérobie, une décomposition thermique : la pyrolyse. Dans un premier temps, cette décomposition « extrait » l’eau et le CO2 du kérogène. Ensuite, les températures croissant continuellement, le kérogène expulse des hydrocarbures liquides : le pétrole et le gaz « naturel ». Il faut plusieurs centaines de millions d’années pour que le kérogène se transforme partiellement, sous l’effet de la chaleur, en charbon ou pétrole, gaz, CO2 et eau.
C’est l’apparition du gaz, au fur et à mesure que le kérogène est porté à une température croissante, qui finit par stopper la pyrolyse. La pression de gaz dans les petites poches qui contenaient le kérogène initial augmente en effet dans les couches profondes (de plus en plus chaudes), et lorsque cette pression devient suffisante pour vaincre « l’imperméabilité » de la roche mère, la fraction liquide et la fraction gazeuse sont progressivement expulsées de la roche mère.
L’âge de la roche mère varie de 1 million à 1 milliard d’années au moment de la migration. Pour le pétrole, l’âge le plus fréquent se situant aux alentours de 100 millions d’années.

Étape 4 de l’évolution du kérogène : formation de combustibles

Le charbon
Il est dû à une variété particulière de kérogène, qui se forme à partir de débris de végétaux dits « supérieurs » (arbres, fougères, prêles, lycopodes …). C’est un kérogène qui présente la caractéristique d’être dominant dans le sédiment au lieu d’y être minoritaire. Le premier stade de sédimentation conduit à la tourbe. Lors de l’enfouissement, la pyrolyse conduit ensuite à la formation de lignite, puis de houille, puis d’anthracite, qui est du carbone presque pur, débarrassé de l’essentiel de son hydrogène (et comme il s’agit d’un stade ultime de pyrolyse, l’anthracite est généralement le plus profond des charbons). Comme pour les autres kérogènes, le charbon produit du pétrole et du gaz au cours de son enfouissement, bien qu’en moindres quantités en ce qui concerne le pétrole. La formation de pétrole à partir du charbon a lieu au stade houille, et le méthane formé s’appellera… le grisou.

Le pétrole
Chaque petit filet de kérogène a produit à peu près tous les hydrocarbures qu’il pouvait produire (il ne reste quasiment plus d’hydrogène dans le sédiment). Sous la pression du gaz, « la migration primaire » commence.
Après avoir été expulsés de la roche mère, les hydrocarbures, le gaz et l’eau entament alors une « migration secondaire » : ils « suintent » le long des couches perméables qui jouxtent les couches de roche mère, en se dirigeant vers la surface sous l’effet de la pression des couches de sédiments situées au-dessus.

Pour qu’existe un gisement exploitable d’hydrocarbures liquides, il faut qu’ils se « concentrent » quelque part avant de parvenir au sol, ce qui, pratiquement, nécessite qu’ils soient arrêtés dans leur remontée vers la surface par un « piège ».

• Fin de la partie kérogène

Piégeage des hydrocarbures

Les hydrocarbures expulsés, plus légers que l’eau, s’échappent en règle générale jusqu’à la surface de la Terre où ils sont oxydés, ou biodégradés (ce dernier cas donne des sables bitumineux), mais une minime quantité est piégée : elle se retrouve dans une zone perméable (généralement du sable, des carbonates ou des dolomites) qu’on appelle la « roche-réservoir », et ne peut s’échapper à cause d’une couche imperméable (composée d’argile, de schiste et de gypse), la « roche piège » formant une structure-piège.

Il existe plusieurs types de pièges. Les plus grands gisements sont en général logés dans des pièges anticlinaux. On trouve aussi des pièges sur faille ou mixtes anticlinal-faille, des pièges formés par la traversée des couches par un dôme salin, ou encore créés par un récif corallien fossilisé.

Classifications des pétroles

On distingue les pétroles en fonction de leur origine et donc de leur composition chimique.
Il est aussi possible de distinguer les différents types de pétrole selon leur densité, leur fluidité, leur teneur en soufre et autres impuretés (vanadium, mercure et sels) et leurs proportions en différentes classes d’hydrocarbures. Le pétrole est alors paraffinique, naphténique ou aromatique.
On classe aussi les pétroles selon leur provenance (golfe Persique, mer du Nord, Venezuela, Nigeria), car le pétrole issu de gisements voisins a souvent des propriétés proches.
Il existe des centaines de bruts de par le monde ; certains servent d’étalon pour établir le prix du pétrole d’une région donnée : les plus utilisés sont l’Arabian Light (brut de référence du Moyen-Orient), le Brent (brut de référence européen) et le West Texas Intermediate (WTI, brut de référence américain).
Selon sa provenance, le brut peut contenir du gaz dissout, de l’eau salée, du soufre et des produits sulfurés (thiols (mercaptans) surtout). Il a une composition trop riche pour être décrite en détails.

Il faut distinguer simplement trois catégories de brut :

• A prédominance paraffinique : les hydrocarbures linéaires sont les plus abondants ; ces bruts sont les plus recherchés car ils donnent directement une grande proportion de produits légers comme l’essence et le gasoil ;

• Aprédominance naphténique : avec beaucoup d’hydrocarbures à cycle saturé ;

• à prédominance aromatique : les hydrocarbures présentant un cycle carboné insaturé sont plus abondants.

De plus, il existe des bruts aptes à faire du bitume, ce sont des bruts très lourds de type Boscan, Tia Juana, Bachaquero ou Safaniyah. Les deux principaux critères pour classer les centaines de bruts différents qui existent sont la densité et la teneur en soufre, depuis le plus léger et le moins sulfureux (qui a la plus haute valeur commerciale) qui est du condensat, jusqu’au plus lourd et au plus sulfureux qui contient 90 % de bitume environ : c’est un brut d’Italie.

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