Compte tenu de coûts et d'enjeux pharaoniques, l'exploitation du pétrole ne se fait pas au hasard, et la présence de pétrole ne garantit pas son exploitation. Afin de trouver du pétrole dit "exploitable", il faut d'abord localiser un piège, puis déterminer la quantité de pétrole disponible : on se demande alors si forer un puits pour l'extraire serait rentable.
Il faut ainsi éviter tous forages inutiles, et repérer du mieux possible les endroits du sous-sol contenant potentiellement du pétrole : c'est l'exploration pétrolière.
La première étape consiste à identifier les zones potentiellement pétrolifères en menant des études géologiques. Il faut ensuite procéder à des études géophysiques indispensables, qui permettent d'identifier les zones où il y a de fortes chances de trouver du pétrole.
Ces études ne garantissent en rien la présence de pétrole, la vérification des hypothèses s'impose avant de procéder au forage.
1. Identifier les zones potentiellement pétrolifères
Aux débuts de l’exploration pétrolière, la prospection était très aléatoire. Sauf quand le pétrole affleurait à la surface, les puits étaient généralement forés sur la base de vagues présomptions, et les résultats étaient bien souvent décevants. Edwin Laurentine Drake connu comme le "Colonel Drake" est le premier à forer un puits dans le but précis de trouver du pétrole. Le 27 août 1859, il fait jaillir du pétrole à Titusville, en Pennsylvanie.
On se contentait alors de forer les pièges visibles en surface, mais on s’est très vite rendu compte que cela ne suffisait plus... Or, beaucoup de structures sont masquées par des dépôts de sédiments, et il est impossible de localiser à l'oeil nu les nombreux pièges situés sous la mer...
De nos jours, pour trouver le pétrole brut sous la surface de la Terre, les géologues doivent tout d'abord d'intéresser aux bassins sédimentaires dans lequels le pétrole et le gaz ont pu se former. Il y a de nombreux bassins sédimentaires à la surface de la terre : on en trouve bien sûr en mer, mais également sur les continents, dans des zones autrefois recouvertes par la mer.
Les géologues connaissent dors-et-déjà l'emplacement des bassins prolifiques, zones riches en gaz/pétrole ainsi que les zones moins riches, voir stériles.
Ces bassins sédimentaires sont plus ou moins explorés : ceux connus depuis longtemps ont déjà fait l’objet de nombreux forages et ont très peu de chances de recéler de nouveaux gisements super-géants ou même de grande taille : on parle alors d'exploration mature. C’est le cas par exemple de la mer du Nord, où les compagnies pétrolières cherchent à se positionner sur des régions encore peu matures, espérant découvrir de gros volumes d’hydrocarbures exploitables.
Il reste néanmois du travail d’exploration à faire même dans ces zones matures où l'on recherche des gisements plus petits ou plus subtils (plus difficiles à voir ou imaginer). On peut aussi forer à côté de gisements déjà découverts.
Dès lors que les géologues ont repéré une zone exploitable, ils s'interrogent quant à la configuration du sous-sol et des types de roches présentes : il vont alors tenter de dresser une carte géologique du sous-sol.
Pour ce faire, ils étudient le relief et accordent une attention toute particulière aux indices de pétrole et de bitume qui peuvent apporter des informations utiles sur la probabilité d'accumulation de pétrole en profondeur. Ces observations s'accompagnent d'analyses géochimiques des couches ayant pu jouer le rôle de roche mère, ainsi que de petits sondages de reconnaissance.
Lorsque le relief est accidenté ou que la surface du sol est masquée par la végétation, les géologues ont de plus en plus recours à la télédétectionpour dresser les cartes géologiques. Des clichés sont pris d'un avion ou d'un satellite pour pouvoir être analysés par la suite. On travaille avec des longueurs d'onde différentes de celles de la lumière visible, ce qui permet d'éliminer l'image de la végétation sur les prises de vue et de définir les grands traits de l'architecture du bassin.
La carte géologique réalisée, les géologues ne peuvent pas visualiser les endroits contenant du pétrole, mais peuvent repérer des roches pouvant potentiellement être des roches-mères. Pour confirmer leurs hypothèses, il faut prélever et analyser la roche. Après avoir été broyées, les roches prélevées sont brûlées pour doser le gaz carbonique émis, représentant le carbone organique piégé dans l'échantillon. Pour être une roche-mère potentielle, il en faut au minimum 1%.
Après avoir repéré un terrain favorable depuis la surface, il faut maintenant voir si la structure du sous-sol l'est aussi. C'est alors au tour des géophysiciens de faire des études pour imager le sous-sol.
Pour localiser les pièges potentiels, on fait tout d'abord appel à une sorte "d’échographie du sous-sol" : lasismique réflexion, permettant de donner une image du sous-sol malheureusement floue donc pas fiable à 100%. D'autres études géophysiques sont également menées avant forage afin d'essayer de confirmer la présence d'hydrocarbures.
Enfin, il faut établir une synthèse des études de toutes ces données, en essayant de ne rien oublier dans le raisonnement conduisant à affirmer qu'il y a de grandes chances de trouver du pétrole ou du gaz à tel ou tel endroit.
a) La sismique-réfléxion
La sismique réfléxion, une véritable “méthode miracle”, s’est développée à partir des années 1930, afin de localiser plus efficacement de nouveaux gisements de pétrole prometteurs.
Principe de la sismique-réfléxion :
1) A partir d'une explosion ou d'une masse tombant sur le sol, on émet des ondes dans le sol.
2) Ces vibrations se propagent dans toutes les directions.
3) Dès lors qu’elles rencontrent une couche géologique, une partie des ondes seréfléchissent et repartent vers la surface.
Une autre partie d’entre elles se réfracte, continuant à aller plus profondément, jusqu’à rencontrer une seconde couche géologique.
Le processus se répète ainsi de suite.
4) En plaçant des récepteurs très sensibles : les géophones, à distance de l’émetteur, on récupère et on enregistre donc toute une série complexe d’ondes : les premières à arriver sont celles qui se sont déplacées en surface, puis viennent celles qui se sont réfléchies sur la première couche géologique, puis celles réfléchies sur la suivante, et ainsi de suite.
On mesure de la sorte le temps qu’a mis une onde réfléchie sur une couche géologique pour se déplacer de l’émetteur au récepteur.
En déplaçant émetteur et récepteur de nombreuses fois, on parvient à construire une image en temps et à deux dimensions (2D) du sous-sol et des couches géologiques.
5) On émet ensuite des hypothèses sur les vitesses de propagation des ondes dans les différentes couches, ce qui permet de construire une image en profondeur, celle qui intéresse le plus les géologues et les foreurs. A partir de cette image, on réalise ensuite une coupe géologique plus parlante.
En utilisant toute la série de ces images 2D en temps et en profondeur, on dresse des cartes du sous-sol pour évaluer les pièges à hydrocarbures.
En mer, l’enregistrement sismique se fait à partir d’un bateau traînant derrière lui un chapelet de récepteurs flottants, les hydrophones. La technique de base reste la même que sur terre à une difference près : les sources utilisées pour émettre les ondes sont différentes. En général, on utilise des canons à air qui déchargent brusquement dans l'eau de l'air comprimé à haute pression pour provoquer une onde sismique.
Cette technique est “plus facile”, car il n’y a pas d’obstacle naturel au déplacement de l’émetteur et des récepteurs d’ondes. La "couche" d'eau est considérée comme une couche rocheuse homogène, très facile à pénétrer.
Afin d’obtenir une image plus précise et plus fiable du sous-sol, on emploie la technique de la sismique 3D plus chère, mais beaucoup plus efficace que la 2D. Elle permet même souvent de repérer directement les hydrocarbures dans les couches géologiques. Les récepteurs sont placés en nappes afin de construire une image du sous-sol en volume (en trois dimensions).
La technique de la sismique 4D va plus loin encore, en faisant intervenir la quatrième dimension : le temps. Sur un gisement en production, on effectue plusieurs enregistrements successifs de sismique 3D, à intervalles de temps réguliers. La comparaison des enregistrements permet ensuite de suivre l’évolution du gisement pendant sa production.
La technique de la sismique 4D va plus loin encore, en faisant intervenir la quatrième dimension : le temps. Sur un gisement en production, on effectue plusieurs enregistrements successifs de sismique 3D, à intervalles de temps réguliers. La comparaison des enregistrements permet ensuite de suivre l’évolution du gisement pendant sa production.
Photo : Vue d'un ingénieur informaticien en train de visualiser une vue 3D de modèle de réservoir dans la salle de géovision de Pau. Le CSTJF (Centre scientifique et technique Jean Feger) est un centre de recherche spécialisé dans la recherche géologique et les hydrocarbures.
L’imagerie sismique est malheureusement imparfaite et jamais fiable à 100 %.b) Autres études géophysiques
Les mesures de la gravimétrie ou de la variation du champ magnétique sont d'autres techniques, complémentaires à la sismique, qui permettent de déterminer la géométrie du sous-sol. La gravimétrie permet en particulier de modéliser les densités des couches. Nous ne nous étendrons pas sur ces études dans ce TPE.
3. Vérification des hypothèses
A la fin des études sur une zone, géologues et géophysiciens ont réalisé la carte géologique, ont établi l'imagerie 2D, 3D voir même 4D du sous-sol, et ont défini un certain nombre de prospects. Pour chaque prospect, ils ont calculé une fourchette de réserves potentielles (celles-ci ne peuvent pas êtres calculées précisément) de pétrole et de gaz. Les réserves représentent la part de l’accumulation que l'on va pouvoir extraire et ramener à la surface pour l’exploiter.
Actuellement, une campagne de prospection sur six est un succès : parmi six puits forés à titre exploratoire, un seul est déclaré productif et peut servir à l'extraction de pétrole. Les autres n'en contiennent pas ou trop peu pour être rentables aux vues du prix du baril.
Un forage à titre exploratoire peut être réalisé : on creuse un puits pour vérifier s'il y a du pétrole. Les installations mises en place sont temporaires et donc moins complètes que pour un forage d'extraction, mais les mêmes méthodes sont utilisées.
Etant donné le coût très important de la réalisation d'un tel forage (au minimum 3 à 4 millions d’euros à terre et 20 à 60 millions d’euros en mer, voir plus de 100 millions d’euros pour des forages très profonds ou dans des conditions difficiles), les compagnies pétrolières pèsent bien le pour et le contre avant de prendre la décision de forer !
Dans la prochaine partie, nous étudierons le forage ainsi que la production pétrolière.
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