Pétroles conventionnels et non conventionnels

Offshore oil rig drilling gas platform in the gulf of Thailand

Pour évaluer la disponibilité future du pétrole, les différentes contraintes d’extraction qui existent d’un pétrole à l’autre doivent être prise en compte. Selon l’étymologie, le mot pétrole veut dire « huile de roche », et c’est sur la base de certaines propriétés de l’huile et de la roche qui la renferme que nous allons ici classer les pétroles. Les propriétés qui nous intéressent sont celles qui affectent les techniques d’extraction et les débits, donc aussi les coûts énergétiques et économiques, et donc aussi le moment dans l’histoire humaine où les cycles d’extraction des différents pétroles démarrent. C’est la superposition des cycles d’extraction qui donne la trajectoire globale de production pétrolière. Et c’est l’évolution des dépenses énergétiques d’un cycle à l’autre et au sein d’un même cycle qui définit les coûts et le surplus énergétique, c.-à-d. l’énergie que ne consomme pas la filière pétrolière, dont dépend l’économie.   

Naissance des hydrocarbures

Pour classer les pétroles, commençons par aborder leur naissance et leur évolution géologique. Les hydrocarbures naissent dans une roche appelée roche-mère (voir Figure 1). Cette roche sédimentaire est issue de micro-organismes aquatiques, animaux ou végétaux, qui ont vécu dans un lointain passé géologique, sont morts, et ont été progressivement enfouis avec des sédiments, où ils ont subi un lent processus de transformation dans les milieux pauvres en oxygène. Ils sont d’abord consommés partiellement par des micro-organismes, qui peuvent libérer comme déchets du méthane et de grosses molécules riches en carbone, le kérogène, qui forme le générateur de la roche-mère. Ensuite, à mesure que d’autres couches de sédiments se déposent par-dessus et enfouissent la roche-mère, la pression et la température augmentent. A ce stade, les roches-mères riches en kérogène sont communément appelées schistes bitumineux, bien qu’elles ne contiennent ni schiste ni bitume. Ensuite, à partir d’une certaine profondeur d’enfouissement, la chaleur devient suffisante pour fragmenter le kérogène en plus petites molécules. Dans une fenêtre de température de 80°-160°C, on obtient des hydrocarbures liquides. C’est la fenêtre à huile, c.-à-d. à pétrole liquide composé de molécules à longues chaînes d’atomes de carbone. A plus grande profondeur, la température monte encore, et au-delà de 160°C on entre dans la fenêtre à gaz. La fragmentation est plus poussée, les molécules sont encore plus petites, depuis des gaz à condensats[1] jusqu’au méthane, qui est le stade ultime du craquage moléculaire. Les hydrocarbures retenus dans la roche où ils sont nés ou à proximité de celle-ci sont communément appelés pétrole et gaz de schiste, mais on devrait les appeler hydrocarbures de roche-mère[2].

Figure 1 : Schéma illustrant la formation et la migration des hydrocarbures dans le sous-sol, et leur exploitation. Explications dans le texte.

Source : d’après schéma IFP Energies nouvelles et schéma p37 dans « Les Géosciences au service de l’Homme », éditions Hirlé et ENS de Géologie, redessiné en word par Alain Gallien, SVT Dijon, modifié par P. Brocorens

Migration des hydrocarbures

Les hydrocarbures ne restent pas en totalité dans la roche-mère. Une partie est expulsée et migre vers la surface à travers des roches ou failles perméables, car ils sont moins denses que l’eau qui est présente dans les interstices des roches (effet de flottabilité). Lors de cette migration, pétrole et gaz sont parfois arrêtés par un piège géologique : une roche imperméable barrant le passage et sous laquelle une roche poreuse et perméable s’imprègne des hydrocarbures à la manière d’un papier buvard. On obtient un gisement, et les hydrocarbures qu’il renferme sont dits conventionnels, du moins lorsque la roche a maintenu une certaine perméabilité jusqu’à aujourd’hui. Si les hydrocarbures ne sont pas stoppés dans des pièges ou gisements, ils arrivent en surface, forment des suintements (Figure 2) d’où les fractions légères et volatiles s’évaporent, alors que les fractions lourdes et visqueuses peuvent être progressivement altérées par les agents atmosphériques ou digérées par les micro-organismes. Certaines accumulations très importantes donnent lieu à des amas de bitume plus ou moins solide. Parfois, ce ne sont pas les hydrocarbures qui viennent à la surface, mais la surface qui vient à eux, par exemple par érosion des couches géologiques surmontant les gisements. Le résultat est similaire : les fractions légères s’échappent, les plus lourdes et visqueuses restent fixées aux particules minérales, formant des sables bitumineux, des hydrocarbures extra-lourds, des asphaltes.

Figure 2 : à gauche : résurgence de pétrole en forêt de Haguenau, Bas-Rhin (2017). A l’arrière-plan, la boue remuée et les troncs noircis des arbrisseaux indiquent que les sangliers viennent prendre des bains de boue au pétrole pour se débarrasser des parasites ; à droite : suintement de pétrole dans les bois de Kutzenhausen, Bas-Rhin (2017).

Extraire les hydrocarbures des roches

L’image classique de l’exploitation pétrolière est celle d’un puit vertical foré jusqu’au gisement et qui draine le pétrole dans un certain rayon. Ce genre d’exploitation est possible si le pétrole parvient à se déplacer aisément dans le sous-sol, ce qui implique des propriétés physiques particulières pour le pétrole et pour la roche qui le renferme. Nous pouvons faire un parallèle avec les déplacements automobiles. Pour les rendre possibles, il faut une automobile et un réseau routier. L’équivalent de l’automobile, c’est un pétrole mobile, constitué de fractions moléculaires légères qui le rendent fluide et limitent son adhérence à la roche. Un pétrole visqueux, pâteux, qui colle comme un chewing-gum n’est pas mobile. Quant à l’équivalent du réseau routier, c’est le réseau d’interstices qui sillonnent la roche et que le pétrole emprunte pour arriver jusqu’au puits. Dans un grès, constitué de grains de sable séparés par des espaces, le réseau est dense et étendu. Dans une roche-mère, avec des pores de taille plus limitée et ne communiquant pas entre eux, le réseau (la perméabilité) est quasiment inexistant. Le cas du gaz est plus simple dans la mesure où il est toujours mobile ; seule l’absence d’un réseau minimal d’interstices dans la roche peut l’empêcher de se déplacer.

En fonction des propriétés physiques du pétrole (mobile ou immobile) et de la roche (avec ou sans réseau d’interstices), les procédés d’extractions seront très différents (voir Figures 1 et 3). Lorsque pétrole et roche sont tous deux favorables au déplacement du pétrole, on parle de pétrole conventionnel et un simple puit vertical permet déjà une exploitation commerciale. Si le pétrole ou si la roche a des propriétés qui limitent le déplacement du pétrole, on parle de pétrole non conventionnel, et il faut stimuler la roche, la forcer à expulser le pétrole qu’elle contient. Pétrole de schiste et sable bitumineux sont des pétroles non conventionnels. Le pétrole de schiste est très mobile mais la roche-mère le retient car son réseau d’interstices est déficient. On va donc en créer un de toutes pièces, en forant des puits directionnels qui suivent la couche de roche-mère (forage très dévié ou « horizontal ») ; le long de ce forage, à espacements réguliers, de l’eau associée à du sable est injectée sous pression et fracture la roche jusqu’à plusieurs centaines de mètres (fracturation hydraulique), formant un dense réseau de fissures très fines étayées par les grains de sable, qu’emprunte le pétrole pour arriver au puits. Avec les sables bitumineux, on a la situation inverse. La roche a un bon réseau d’interstices, mais le pétrole n’est pas mobile. Une technique utilisée pour obtenir le pétrole, visible à large échelle dans les paysages de l’Alberta au Canada, consiste à extraire la roche imbibée de bitume et à la traiter en usine par eau chaude et vapeur pour séparer bitume et sable. Enfin, avec les schistes bitumineux, aucune propriété n’est favorable ; le pétrole n’existe même pas encore, seulement son précurseur ou protopétrole, le kérogène. Une technique pour en obtenir du pétrole consiste à extraire la roche et à imiter la nature en mode accéléré, c.-à-d. cuire la roche à haute température pour briser les grosses molécules organiques en plus petites, qui sont alors liquides ou gazeuses. On obtient des distillats. Des exploitations ont fonctionné à Autun, Lodève et Créveney en France au début du XXème siècle.

Enfin, le gaz naturel, associé au pétrole ou non, contient du méthane mais aussi des hydrocarbures légers qui se condensent en sortie de puits, ou sous pression en usine. En fait, dans le gaz naturel, tous les hydrocarbures autres que le méthane sont comptabilisés comme pétrole, même si certains d’entre eux comme le propane et le butane sont gazeux à pression et température ambiantes. On les appelle liquides de gaz naturel (LGN)[3]. Les gaz desquels ils sont extraits peuvent, comme le pétrole, être non conventionnels ou conventionnels selon qu’il faille stimuler ou non la roche pour les extraire.

Figure 3 : en haut : exploitation de pétrole conventionnel à Soudron, Marne (2010) ; en bas à gauche : peinture murale illustrant l’exploitation minière de sables bitumineux entre 1740 et 1963 à Merkwiller-Pechelbronn, Bas-Rhin (2017); en bas à droite : front de taille d’une mine à ciel ouvert de schiste bitumineux à Créveney, Haute-Saône (2014). La roche est feuilletée, et grise à cause du kérogène. Par manque de rentabilité, l’exploitation industrielle, effectuée par la Société des Schistes et Pétroles de Franche-Comté, dure moins d’un an, en 1934.

Obtenir de l’énergie coûte … de l’énergie

Les efforts à fournir pour extraire le pétrole de la roche varient d’un pétrole à l’autre, et pour un même type de pétrole, d’une technique à l’autre. En simplifiant, on a par exemple : pour le pétrole conventionnel,  un simple forage vertical; pour le pétrole de schiste, un forage vertical puis directionnel suivi d’une fracturation de la roche; pour les sables bitumineux, le minage de la roche, son transport en usine, la séparation du pétrole et de la roche par traitement à l’eau chaude, à nouveau le transport des résidus rocheux sur le site d’exploitation; pour les schistes bitumineux, à peu près la même chose que pour les sables bitumineux, avec chauffage à plus haute température (500°C) pour transformer les solides organiques en liquides et gaz.

Figure 4 : au milieu : classification des pétroles selon la qualité du pétrole et de la roche qui le contient, le terme qualité faisant référence à des propriétés facilitant le déplacement du pétrole dans le sous-sol, et in fine son extraction ; en haut : à mesure que la qualité baisse, les efforts pour obtenir le pétrole augmentent et le surplus énergétique dont dépend l’économie diminue ; en bas : le pétrole nécessitant le moins d’efforts à extraire, c.-à-d. le pétrole conventionnel, domine les approvisionnements. Sa production étant en déclin, les compagnies pétrolières se tournent vers des pétroles à plus faible retour énergétique, pétrole de schiste et sables bitumineux. 

Pour extraire de l’énergie de l’environnement, il faut donc faire un effort, dépenser de l’énergie. Et cette dépense croît à mesure que la ressource est plus difficile à extraire, globalement du pétrole conventionnel aux pétroles de schistes et sables bitumineux, puis davantage encore pour les schistes bitumineux (Figure 4, milieu). Comme ces dépenses énergétiques sont aussi des dépenses économiques, dans le passé quand les grands gisements conventionnels des USA et du Moyen-Orient ont été découverts, l’industrie a rapidement délaissé les pétroles non conventionnels pour se focaliser sur le pétrole conventionnel (Figure 5). C’est d’ailleurs toujours ce pétrole qui fournit la majorité des approvisionnements. Mais les découvertes conventionnelles se raréfiant, les exploitants se tournent vers les sables bitumineux et pétroles de schistes (voir Figure 4, bas), et demain, ils exploiteront peut-être les schistes bitumineux (déjà utilisés marginalement sous forme solide comme substitut au charbon). L’augmentation des dépenses énergétiques est également observée pour un même type de pétrole. Par exemple, pour le pétrole conventionnel, les gisements découverts sont en moyenne plus petits ou plus éloignés (offshore profond, domaines arctiques…).

Figure 5 : Evolution de la production pétrolière française. La production a commencé par les pétroles non conventionnels, qui étaient proches de la surface et accessibles via des exploitations minières. A partir des années 1950s, ils sont abandonnés, concurrencés par le pétrole conventionnel du Moyen-Orient qui jaillit sans effort du sous-sol. En France également le pétrole conventionnel commence à être extrait avec des débits qui surpassent rapidement les niveaux historiques des pétroles non conventionnels (échelle modifiée dans la figure du bas).    

Certaines améliorations techniques, par exemple l’allongement de la partie horizontale du forage pour l’extraction du pétrole de schiste, permettent de s’opposer à la dégradation du taux de retour énergétique (rapport entre la quantité d’énergie extraite et la quantité d’énergie dépensée pour l’extraction). Mais avec le temps, inexorablement, ce taux de retour énergétique diminue : l’énergie consommée par la filière pétrolière augmente et le gain net d’énergie dont dépend le reste de l’économie diminue (Figure 4, haut). Quand ce rapport tombe à un, la limite énergétique est atteinte : on consomme autant d’énergie pour extraire un baril qu’on en obtient de ce même baril. C’est un aspect souvent négligé des évaluations de ressources restantes. Si vous avez une mare avec quelques poissons au fond du jardin, vous être probablement détenteur de ressources gazières, du (bio)méthane qui s’est formé dans la vase, mais aucune compagnie pétrolière ne viendra dans votre jardin exploiter cette ressource pour des questions évidentes de rentabilité énergétique et économique. Dans cet exemple, le taux de retour énergétique est inférieur à un : on dépense plus d’énergie qu’on en récupère. Dans le futur, on exploitera sans doute des ressources pétrolières ayant des taux de retour énergétiques très faibles, éventuellement inférieurs à un. Mais ces ressources pétrolières ne pourront plus être considérées comme des sources d’énergie, elles seront exploitées comme vecteurs d’énergie[4] ou comme matières premières. Comme source d’énergie, place sera faite, comme cela a commencé, au nucléaire, à l’éolien, au solaire…

Tenir compte de la qualité des ressources, une nécessité évidente pour ASPO France.

En conclusion, une évaluation critique de l’offre future en pétrole doit aller au-delà d’évaluations de la quantité de ressources existantes, et examiner la faisabilité technique, économique, et politique d’accéder à différentes ressources en tenant compte de taux de retour énergétique, de coûts, et de débits qui diffèrent non seulement d’une ressource à l’autre, mais également au cours du temps en fonction de l’évolution de la technologie et de la dégradation progressive de la qualité des ressources restantes. La finalité de l’extraction du pétrole doit également être prise en compte, car les pétroles avec un faible taux de retour énergétique ne sont plus une source d’énergie, mais peuvent encore être exploités comme vecteur d’énergie ou comme matière première. L’estimation de ces différents facteurs et de leurs impacts sur l’offre pétrolière future sont au cœur des travaux d’ASPO France.  

Notes

[1] Condensat : hydrocarbures légers à 5-8 atomes de carbone.

[2] Aux USA, les pétroles de schiste ou pétroles de roche mère sont aussi appelés pétroles de réservoir compact ou LTO (light tight oil)

[3] Ne pas confondre les liquides de gaz naturel (LGN) au gaz naturel liquéfié (GNL), qui est principalement du méthane qui passe de l’état gazeux à l’état liquide à basse température.

[4] Un vecteur énergétique est produit à partir d’autres formes d’énergie et permet de transmettre l’énergie sous une autre forme. L’hydrogène est un vecteur énergétique produit par électrolyse de l’eau ou à partir de gaz naturel. A cause de pertes, convertir une énergie en une autre donne toujours un rendement de conversion inférieur à un, c.-à-d. qu’il y a toujours moins d’énergie dans le vecteur énergétique que dans la source d’énergie qui a servi à le produire. Par analogie, un pétrole avec un taux de retour énergétique inférieur à un peut être vu comme un vecteur énergétique, puisqu’il y a moins d’énergie contenue dans le pétrole que dans les énergies qui ont été utilisées pour l’extraire du sous-sol.   

1 Comment on Pétroles conventionnels et non conventionnels

  1. Et bien, pour le prix que nous avons s payer il aurait mieu fallu que le pétrole n’existe pas…

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