Karamö, le prof virtuelLeçon 13 sur 19
Formation et exploitation d'une roche : le pétrole
Je sais expliquer comment le pétrole se forme à partir de matière organique, comment il migre et se piège, comment on le recherche, l'extrait et le raffine.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Expliquer la formation du pétrole (matière organique, enfouissement, kérogène, fenêtre à huile)
- Décrire les conditions d'un gisement : roche mère, roche réservoir, roche couverture, piège
- Décrire la prospection, l'extraction et le raffinage (distillation fractionnée)
- Faire des calculs simples sur un gisement (profondeur, volume en place, barils)
Avant de commencer : Les leçons sur les roches sédimentaires, la porosité et la perméabilité, le gradient géothermique, et la leçon « Formation et exploitation des ressources géologiques ».
1Je découvre
À la station-service de Kamsar, Ibrahima regarde le pompiste remplir le réservoir d'un taxi-brousse. « Le gazole vient d'où ? » demande-t-il. « Du pétrole, répond le chauffeur. On l'importe par bateau, puis on le transporte en camion-citerne. »
Ibrahima trouve étrange que la Guinée, si riche en bauxite, en fer et en or, doive acheter son carburant. Au lycée, sa professeure explique : « Le pétrole est une roche liquide, et il ne se forme pas n'importe où. Il faut une longue histoire géologique : de la vie microscopique, un enfouissement profond, des roches poreuses et un piège. Et même quand toutes ces conditions sont réunies, il faut le trouver, parfois sous des kilomètres de roche et d'eau de mer. »
Ibrahima veut comprendre : comment des êtres vivants microscopiques peuvent-ils devenir le carburant d'un taxi ?
Comment le pétrole se forme-t-il, où s'accumule-t-il, et comment le recherche-t-on, l'extrait-on et le transforme-t-on ?
2Je comprends
1. Le pétrole, une roche particulière
Le pétrole (du latin petra, pierre, et oleum, huile), ou huile brute, est une roche sédimentaire organique liquide, formée d'un mélange d'hydrocarbures, molécules composées essentiellement de carbone et d'hydrogène (par exemple le méthane CH4, l'octane C8H18). Il est souvent associé au gaz naturel, surtout formé de méthane.
C'est une roche parce qu'il est un matériau naturel du sous-sol, formé par des processus géologiques. C'est une énergie fossile : l'énergie qu'il libère en brûlant est de l'énergie solaire captée autrefois par des êtres vivants par photosynthèse.
2. La formation du pétrole
Étape 1 : la production et l'accumulation de matière organique. Dans certaines mers, lagunes ou grands lacs, le plancton (algues et animaux microscopiques) est très abondant. À sa mort, il tombe sur le fond. Si le fond est pauvre en oxygène (eaux calmes, confinées), cette matière organique n'est pas décomposée : elle s'accumule avec des particules d'argile. Il se forme une vase riche en matière organique, qui deviendra la roche mère du pétrole (souvent une argile ou un schiste noir).
Étape 2 : l'enfouissement et la formation du kérogène. Recouverte de sédiments, la vase s'enfouit. Sous l'action des bactéries puis de l'augmentation de température, la matière organique se transforme en kérogène, substance solide dispersée dans la roche.
Étape 3 : la maturation. Avec l'enfouissement, la température augmente (gradient géothermique). Entre environ 60 et 120 °C, le kérogène se « craque » lentement en hydrocarbures liquides : c'est la fenêtre à huile, atteinte en général vers 2 à 4 km de profondeur. À plus haute température, il se forme surtout du gaz. Trop chauffés, les hydrocarbures sont détruits.
- 1Plancton abondant dans une mer ou un lac aux eaux calmes
- 2Accumulation sur un fond pauvre en oxygène, avec de l'argile : vase organique
- 3Enfouissement sous d'autres sédiments : la matière organique devient kérogène
- 4Maturation vers 60 à 120 °C (2 à 4 km environ) : le kérogène donne du pétrole
- 5À plus haute température : surtout du gaz naturel
Exemple
Dans un bassin sédimentaire, la température en surface est de 25 °C et le gradient géothermique de 30 °C/km. Entre quelles profondeurs se trouve la fenêtre à huile (60 à 120 °C) ?
Profondeur pour 60 °C : 25 + 30 × h = 60, donc h = 35 ÷ 30 ≈ 1,17 km.
Profondeur pour 120 °C : 25 + 30 × h = 120, donc h = 95 ÷ 30 ≈ 3,17 km.
La fenêtre à huile se situe entre environ 1,2 km et 3,2 km de profondeur dans ce bassin.
3. La migration et le piégeage : les conditions d'un gisement
Le pétrole ne reste pas dans sa roche mère. Moins dense que l'eau et comprimé, il est expulsé et migre vers le haut à travers les roches perméables. S'il atteint la surface, il se dégrade et se perd. Pour qu'un gisement se forme, il faut réunir quatre éléments :
- une roche mère, riche en matière organique, qui produit le pétrole ;
- une roche réservoir, poreuse et perméable (grès, calcaire fissuré), qui stocke le pétrole dans ses pores, comme une éponge ;
- une roche couverture, imperméable (argile, sel), au-dessus du réservoir, qui empêche le pétrole de continuer à monter ;
- un piège, c'est-à-dire une géométrie des couches qui arrête et concentre le pétrole.
Les pièges les plus courants sont :
- le piège anticlinal : les couches sont plissées en voûte ; le pétrole monte au sommet de la voûte, sous la couverture ;
- le piège de faille : une faille met le réservoir au contact d'une couche imperméable ;
- le piège lié au sel : une masse de sel, imperméable, remonte et bloque les couches ;
- le piège stratigraphique : la couche réservoir se termine en biseau dans des couches imperméables.
Dans le piège, les fluides se rangent par densité : le gaz en haut, le pétrole au milieu, l'eau salée en bas.
- Roche mère
- Roche réservoir
- Roche couverture
- Piège
- produit le pétrole (argile noire riche en matière organique)
- le stocke dans ses pores (grès, calcaire poreux)
- l'empêche de s'échapper (argile, sel)
- le concentre (anticlinal, faille, dôme de sel)
4. La prospection et l'exploitation
La prospection. Les géologues recherchent d'abord les bassins sédimentaires épais, susceptibles de contenir une roche mère. Ils utilisent surtout la sismique réflexion : on envoie des ondes (par de petites explosions ou des camions vibreurs à terre, par des canons à air en mer) qui se réfléchissent sur les limites des couches ; leur retour, enregistré, donne une « image » du sous-sol, où l'on repère les pièges possibles. Seul un forage d'exploration peut confirmer la présence de pétrole.
L'extraction. Si le forage est positif, on fore des puits de production, à terre ou en mer depuis des plates-formes. Au début, la pression naturelle du gisement fait monter le pétrole (récupération primaire) ; ensuite, on injecte de l'eau ou du gaz pour le pousser vers les puits (récupération secondaire), ou on le pompe. Une grande partie du pétrole reste toujours prisonnière de la roche.
Le transport. Par oléoducs (pipelines) et par navires pétroliers. On compte souvent le pétrole en barils : 1 baril ≈ 159 litres.
5. Le raffinage
Le pétrole brut est un mélange inutilisable tel quel. Dans une raffinerie, on le sépare par distillation fractionnée : chauffé vers 350 à 400 °C, il se vaporise en grande partie et monte dans une haute colonne ; les différents constituants se condensent à différentes hauteurs selon leur température d'ébullition.
| Niveau de la colonne | Produit (fraction) | Usage |
|---|---|---|
| Sommet (le plus froid) | gaz (butane, propane) | gaz de cuisine en bouteille |
| essence | voitures, motos | |
| kérosène | avions, lampes | |
| gazole | camions, taxis, groupes électrogènes | |
| fioul | centrales, navires | |
| Bas (le plus chaud) | résidus lourds, bitume | goudron des routes |
La pétrochimie transforme aussi certains produits en plastiques, engrais, solvants, médicaments.
Exemple
Un réservoir mesure 2 km de long, 1 km de large et 20 m d'épaisseur. Sa porosité est de 20 % et le pétrole occupe 70 % des pores. On pourra en récupérer 30 %. Calcule le volume de pétrole récupérable, en m³ puis en barils (1 baril ≈ 159 L).
Volume de roche : 2 000 × 1 000 × 20 = 40 000 000 m³.
Volume des pores : 40 000 000 × 0,20 = 8 000 000 m³.
Pétrole en place : 8 000 000 × 0,70 = 5 600 000 m³.
Pétrole récupérable : 5 600 000 × 0,30 = 1 680 000 m³ = 1 680 000 000 L.
En barils : 1 680 000 000 ÷ 159 ≈ 10 600 000 barils (environ 10,6 millions).
Méthode
Pour calculer le pétrole récupérable d'un réservoir :
- Volume de roche = longueur × largeur × épaisseur (tout en mètres).
- Volume des pores = volume de roche × porosité.
- Pétrole en place = volume des pores × part des pores occupée par le pétrole.
- Pétrole récupérable = pétrole en place × taux de récupération.
- Conversions : 1 m³ = 1 000 L ; 1 baril ≈ 159 L.
6. Le pétrole et la Guinée
La Guinée ne produit pas de pétrole et importe tous ses produits pétroliers. Des recherches ont été menées au large de ses côtes, dans le bassin sédimentaire du plateau continental, car ce type de bassin peut réunir les conditions décrites plus haut. En attendant, le pays dépend des importations pour ses transports, ses mines et une partie de sa production d'électricité, alors qu'il possède un important potentiel hydroélectrique, énergie renouvelable.
Le pétrole, comme toutes les énergies fossiles, n'est pas renouvelable à l'échelle humaine, et sa combustion rejette du dioxyde de carbone (CO2), principal gaz responsable du réchauffement climatique.
3Je retiens
Je retiens
Le pétrole est une roche sédimentaire organique liquide, mélange d'hydrocarbures (carbone et hydrogène) ; c'est une énergie fossile non renouvelable.
Formation : plancton accumulé sur un fond pauvre en oxygène, enfouissement, transformation en kérogène, maturation dans la fenêtre à huile (environ 60 à 120 °C, 2 à 4 km).
Gisement = roche mère + roche réservoir (poreuse et perméable) + roche couverture (imperméable) + piège (anticlinal, faille, sel, biseau).
Dans le piège : gaz en haut, pétrole au milieu, eau en bas (rangement par densité).
Prospection par sismique réflexion puis forage d'exploration ; extraction par puits (récupération primaire puis secondaire).
Raffinage par distillation fractionnée : gaz, essence, kérosène, gazole, fioul, bitume ; 1 baril ≈ 159 L.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le pétrole forme des lacs souterrains : il est contenu dans les pores d'une roche réservoir, comme l'eau dans une éponge.
- Dire que le pétrole vient des dinosaures : il provient surtout du plancton microscopique.
- Confondre roche mère et roche réservoir : la première produit le pétrole, la seconde le stocke.
- Oublier les conversions : 1 m³ = 1 000 L, et 1 baril n'est pas 1 litre, mais environ 159 L.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Pourquoi dit-on que le pétrole est une roche ? une énergie fossile ?
b) Qu'est-ce que le kérogène ? la fenêtre à huile ?
c) Cite les quatre conditions nécessaires à un gisement de pétrole.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) C'est une roche parce que c'est un matériau naturel du sous-sol formé par des processus géologiques (une roche sédimentaire organique liquide). C'est une énergie fossile parce qu'il provient de restes d'êtres vivants très anciens et que son énergie est de l'énergie solaire stockée autrefois par photosynthèse.
b) Le kérogène est la matière organique transformée, solide, dispersée dans la roche mère après enfouissement. La fenêtre à huile est l'intervalle de température (environ 60 à 120 °C) dans lequel le kérogène se transforme en pétrole.
c) Une roche mère, une roche réservoir poreuse et perméable, une roche couverture imperméable et un piège.
2Exercice 2
Dans un bassin, la température de surface est de 28 °C et le gradient géothermique de 25 °C/km.
a) Calcule la température à 3 km de profondeur.
b) Calcule les profondeurs limites de la fenêtre à huile (60 °C et 120 °C).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) T = 28 + 25 × 3 = 28 + 75 = 103 °C.
b) Pour 60 °C : 25 × h = 60 − 28 = 32, h = 32 ÷ 25 = 1,28 km. Pour 120 °C : 25 × h = 120 − 28 = 92, h = 92 ÷ 25 = 3,68 km. La fenêtre à huile va d'environ 1,3 km à 3,7 km.
3Exercice 3
Associe chaque roche à son rôle possible dans un gisement (roche mère, réservoir, couverture) : a) grès poreux ; b) argile noire riche en matière organique ; c) sel gemme ; d) calcaire fissuré ; e) argile compacte pauvre en matière organique.
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a) réservoir ; b) roche mère ; c) couverture ; d) réservoir ; e) couverture.
4Exercice 4
Un réservoir de grès mesure 3 km × 2 km × 15 m ; sa porosité est de 25 %, le pétrole occupe 60 % des pores et le taux de récupération est de 35 %.
a) Calcule le volume de pétrole récupérable en m³.
b) Convertis-le en barils (1 baril ≈ 159 L), arrondi au million.
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a) Volume de roche : 3 000 × 2 000 × 15 = 90 000 000 m³. Pores : 90 000 000 × 0,25 = 22 500 000 m³. Pétrole en place : 22 500 000 × 0,60 = 13 500 000 m³. Récupérable : 13 500 000 × 0,35 = 4 725 000 m³.
b) 4 725 000 m³ = 4 725 000 000 L ; 4 725 000 000 ÷ 159 ≈ 29 717 000, soit environ 30 millions de barils.
5Exercice 5
(Type composition) Un forage de recherche au large de la Guinée traverse, de haut en bas : de l'eau de mer, une argile imperméable plissée en voûte, un grès poreux imprégné de gaz au sommet puis de pétrole, un grès saturé d'eau salée, et en profondeur une argile noire riche en kérogène.
a) Identifie la roche mère, la roche réservoir, la roche couverture et le type de piège.
b) Explique pourquoi le gaz, le pétrole et l'eau sont rangés dans cet ordre.
c) Explique comment le pétrole est arrivé dans le grès.
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a) Roche mère : l'argile noire riche en kérogène. Roche réservoir : le grès poreux. Roche couverture : l'argile imperméable. Piège : anticlinal (couches plissées en voûte).
b) Les fluides se rangent par densité : le gaz, le plus léger, occupe le sommet de la voûte ; le pétrole, moins dense que l'eau, flotte sur elle ; l'eau salée, la plus dense, est en bas.
c) Enfouie profondément, l'argile noire a atteint la fenêtre à huile : son kérogène s'est transformé en pétrole. Moins dense que l'eau et comprimé, le pétrole a été expulsé et a migré vers le haut à travers les roches perméables jusqu'au grès, où il a été arrêté par l'argile imperméable et concentré au sommet de la voûte.
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6Je vérifie
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