Comment les puits de pétrole sont-ils détectés ?

Bonjour,

Votre question peut se comprendre de deux façons :

La première, «un puits de pétrole» serait la partie visible du processus d’extraction du pétrole. C'est un artefact humain, non «le contenant» issu d'un phénomène naturel. Nous avons deux grandes familles :

• Sur la terre (onshore), c’est le derrick et le chevalet qui sont les plus courants
• En mer (offshore), c’est la plateforme pétrolière qui en est la partie visible

La seconde, un «puits de pétrole», serait ce qui est contenu dans une poche souterraine, que l’on nomme «champ de pétrole» ou «champ pétrolifère». Votre question porte alors sur la manière de les détecter:

Un article de Wikipédia sur l’Extraction du pétrole explique que pour localiser un champ de pétrole :

«Les géologues utilisent des études sismiques pour rechercher des structures géologiques qui peuvent abriter des réservoirs de pétrole. La méthode «classique» consiste à faire exploser une charge explosive souterraine à proximité et observer la réponse sismique qui fournit des informations sur les structures géologiques souterraines¹. Cependant, il existe aussi des méthodes «passives» qui extraient des informations à partir des ondes sismiques naturelles².

D’autres instruments tels que des gravimètres et des magnétomètres sont parfois aussi utilisés dans la recherche de pétrole parfois accompagnés de mesures nucléaires d'un flux de neutrons issu d'un matériau comme le californium³.

En mer, la sismique réflexion permet d'imager le piège géologique potentiel. Cette approche est complétée lors du forage des puits d'exploration par des diagraphies dont les résultats (notamment les mesures de conductivité électrique) permettent de caractériser la présence ou non d'hydrocarbures dans le sous-sol et plus particulièrement dans le piège (aspect pétrologique : électro-facies)⁴.»

Le site Connaissance des énergies nous informe plus précisément, sur les différents types de prospection : géologique et géophysique - complété par la définition d’un gisement de pétrole - :

"[La] prospection et exploration gazières et/ou pétrolières visent à découvrir de nouveaux gisements de gaz naturel ou de pétrole."

Ces deux ressources fossiles résultent de la transformation des déchets organiques animaux et végétaux contenus dans les boues gorgées d’eau se sédimentant au fond des mers. Leur enfouissement progressif pendant des millions d’années les soumet à des températures (géothermie) et des pressions (gravité) croissantes.

En l’absence d’oxygène, ces matières organiques se pyrolisent en hydrocarbures au sein des roches-mères, soit sous forme d’huile (pétrole) entre 1,5 et 3 km de profondeur, soit sous forme de gaz (méthane) au-delà. Sous l’effet de la pression intense, ces hydrocarbures de densité inférieure à l’eau, sont alors poussés à migrer hors de leur roche-mère et à remonter vers la surface au travers de couches plus perméables. Si leur remontée est bloquée par des strates imperméables (argile) formant voûte, ils peuvent s’accumuler dans des roches perméables sous-jacentes (roches-réservoirs) en formant un gisement de pétrole et/ou de gaz naturel.

L’objectif de la prospection est de localiser un gisement. L’exploration doit en vérifier l’existence et en évaluer l’importance et la qualité grâce à des forages dont l’emplacement est déterminé en associant géologie et géophysique. En cas de succès, ces deux phases en amont sont suivies par les phases d’exploitation, de transport et de commercialisation.

1) La prospection géologique en surface

Les caractéristiques géologiques des gisements pétroliers diffèrent en fonction de leur âge (de 5 à 400 millions d’années), de leur profondeur (de 1 à 10 km) et de leur thermique (la formation de l’huile se situant entre 60 et 150 °C).

Pour identifier les régions potentiellement pétrolifères, les géologues s’interrogent sur les points suivants :

• Quelle est la nature des roches?
• Ont-elles été soumises à des conditions favorables à la création d’hydrocarbures?
• Ces hydrocarbures ont-ils pu migrer et être piégés par des couches imperméables?

Les géologues dressent une carte du sous-sol à partir des informations obtenues en surface par examen des affleurements et dans les airs par photogéologie(1). Lorsqu’une zone favorable (prospect) est repérée par les géologues depuis la surface, c’est au tour des géophysiciens d’explorer le sous-sol.

2) La prospection géophysique en profondeur

La sismique réflexion est la méthode principale des géophysiciens pour repérer des gisements potentiels:

• sur terre(onshore), à partir d’un choc ou de vibrations sonores ébranlant le sol, on détecte par un réseau de géophones les échos réfléchis partiellement par les couches géologiques. On obtient ainsi une échographie 2D de la structure des couches prospectées.

 

Prospection géophysique sur terre (©Connaissance des Énergies)

• en mer (offshore), on produit l’onde sismique par air comprimé à haute pression et on recueille les échos sur des hydrophones flottants (flûtes), la couche d’eau étant considérée comme homogène.

Prospection géophysique offshore (©Connaissance des Énergies)

Pour passer en sismique 3D, on multiplie les flûtes et les angles de production des ondes sismiques pour permettre de construire des images du sous-sol en volume. Beaucoup plus onéreuse(2), l’imagerie sismique 3D est aussi beaucoup plus précise et permet de visualiser les volumes des gisements. En intégrant le facteur temps, on peut analyser l’évolution des gisements en cours d’exploitation en 4D.

3) Les forages d’exploration [ les «puits de pétrole» ]

Après la prospection, le forage est la seule méthode pour confirmer la présence d’hydrocarbures et pour définir:

• la qualité de l’effluent du puits (huile saturée de gaz ? eau ?) ;
• la perméabilité du réservoir ;
• la production potentielle et la quantité d’huile.

Forer consiste à percer l’écorce terrestre pour atteindre les zones pétrolifères, au-delà de deux kilomètres. Pour les gisements conventionnels terrestres, on fore généralement à la verticale mais des forages horizontaux sont pratiqués pour les gisements de grande étendue et de faible épaisseur. En mer, pour des raisons économiques, des forages orientés multiples sont effectués à partir d’une plateforme unique.

Dans un forage vertical classique, la tête de forage est un trépan doté de dents en acier très dur, parfois diamanté, mis en rotation rapide par un train de tiges creuses reliées à une tour verticale d’une trentaine de mètres de haut dans laquelle sont regroupés la table de rotation et les pompes d’aspiration et d’injection. Au fur et à mesure de la descente du trépan, on visse en surface des tiges supplémentaires. Simultanément, on procède au tubage externe du forage par des cylindres creux en acier de diamètre supérieur au trépan que l’on gaine de ciment.

Pour débarrasser en permanence le fond du forage des débris de roche arrachés par le trépan, on injecte sous haute pression dans le train de tiges en rotation une boue fluide qui traverse le trépan et remonte par le tubage externe en entraînant les débris. Cette boue est filtrée en surface, analysée et réinjectée dans le train de tiges. Au-delà de l’évacuation des débris, ce fluide équilibre la pression sur les parois du puits, lubrifie et refroidit le trépan et peut empêcher d’éventuelles éruptions.

Les forages d'exploration (©Connaissance des Énergies)

La profondeur des trous de forage est habituellement comprise entre 2000 et 4000 m et peut atteindre 6000 m.(3)Lorsque des traces d’hydrocarbures sont détectées dans le fluide remontant en surface, on procède à un carottage avec un trépan spécial qui découpe un cylindre dans la roche. Une fois remontée, cette carotte fournit des informations clés sur la teneur en hydrocarbures de la roche traversée. Si un gisement est atteint, le forage est arrêté. Des explosifs sont descendus pour percer le tubage et laisser le pétrole pénétrer dans le puits et remonter à la surface si la pression est forte. Une tête de puits est alors installée pour mesurer le débit et évaluer la productivité du gisement. En cas de succès, d’autres forages sont réalisés pour en confirmer le potentiel. Puis viennent les multiples études économiques pour en estimer la rentabilité avant une décision de mise en exploitation.

Pour compléter :

à la bibliothèque, vous pourrez trouver :

«Recherche et production du pétrole et du gaz : réserves, coûts, contrats» /sous la coordination de Nadine Bret-Rouzaut et Jean-Pierre Favennec

«La malédiction du pétrole»/ scénario Jean-Pierre Pécau ; dessin Fred Blanchard

Pour terminer, la recherche effrénée du pétrole a donné lieu à un des scandales les plus retentissants de la Vème République révélé par la Canard Enchaîné, les avions renifleurs.

Un livre à la bibliothèque rapporte cette affaire, V enquête sur l'affaire des avions renifleurs et ses ramifications proches ou lointaines de Pierre Péan et deux podcasts d’émissions sur France Inter : Rendez-vous avec Mr X et Affaires sensibles.

En espérant avoir répondu à votre question,

Bien cordialement.