La detection et la prospection

La proscpection et l’exploration consiste à rechercher et découvrir de nouveaux gisements de pétrole.

Cette ressource fossile résulte de la transformation des déchets organiques animaux et végétaux contenus dans les boues gorgées d’eau et 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.

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

La prospection vise à localiser un gisement. Quant à l’exploration, elle permet d'en vérifier l’existence et d'en évaluer la quantité et la qualité. Après l’étude détaillée des structures géologiques en surface et en profondeur, et leur imagerie par la sismique, seul le forage peut certifier la présence de pétrole. Les profondeurs de forage dans la terre varient le plus souvent entre 2 000 et 4 000 m.

Géologues et géophysiciens collaborent à cette investigation chargée d’énormes enjeux économiques.

En cas de succès, ces deux phases en amont sont suivies par les phases d’exploitation, de transport et de commercialisation.

La phase d'extraction du pétrole, nécessite des techniques complexes : le maillage du réservoir par des puits multiples, le maintien de la pression du réservoir par injection d’eau et/ou de gaz, la séparation pétrole/gaz en surface, puis l’expédition.

L’optimisation de la production finale est liée au choix de l’emplacement et de la trajectoire des puits ainsi qu'à une bonne gestion des réservoirs. En moyenne, seulement 35% des réserves en place peuvent être extraites.

Depuis quelques décennies, les recherches s’orientent vers l’exploitation offshore (forage en mer) évoluant vers des techniques plus complexes et des eaux plus profondes.

1. La prospection géologique en surface

Les caractéristiques géologiques des gisements pétroliers diffèrent en fonction de plusieurs critères :

leur âge : de 5 à 400 millions d’années
leur profondeur : de 1 à 10 km
leur thermique : la formation du pétrole se situant entre 60 et 150 °C.

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

la nature des roches
les conditions favorables ou non à la création d’hydrocarbures
ces hydrocarbures ont-ils pu migrer et être piégés par des couches imperméables ?

Les géologues établissent une carte du sous-sol à partir des informations obtenues. Lorsqu’une zone potentielle est identifiée par les géologues depuis la surface, c’est au tour des géophysiciens d’explorer le sous-sol.

2. La prospection géophysique en profondeur

Les géophysiciens repèrent les gisements potentiels grâce à la sismique réflexion :

- sur terre (onshore) : à partir d’un choc ou de vibrations sonores qui propagent des ondes dans le sous-sol, ils détectent par un réseau de géophones les échos réfléchis partiellement par les couches géologiques. Ils obtiennent une cartographie 2D de la structure des couches géologiques.

- en mer (offshore) : ils produisent l’onde sismique par air comprimé à haute pression et recueillent les échos sur des hydrophones flottants (flûtes), la couche d’eau étant considérée comme homogène.

En sismique 3D, on peut obtenir des images du sous-sol en volume. Plus onéreuse mais aussi plus précise, l’imagerie sismique 3D 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

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
la perméabilité du réservoir
la production potentielle
la quantité de pétrole.

Forer consiste à percer l’écorce terrestre pour atteindre les zones pétrolifères au-delà de 2000 mètres. Pour les gisements terrestres, on fore généralement à la verticale. Cependant, des forages horizontaux sont pratiqués pour les gisements de grande étendue et dont l'épaisseur est faible. En mer, pour des raisons économiques, les forages sont effectués à partir d’une plateforme unique et orientés de multiples façons.

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 elles-mêmes reliées à une tour verticale d’environ 30 mètres de haut. Cette tour regroupe 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 au fur et à mesure le fond du forage des débris de roche arrachés par le trépan, on injecte une boue fluide sous haute pression dans le train de tiges en rotation. Cette boue traverse le trépan et remonte par le tubage externe entraînant ainsi les débris. Elle est ensuite 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.

La profondeur des trous de forage est habituellement comprise entre 2 et 4 km et peut atteindre 6 km. Lorsque des traces d’hydrocarbures sont détectées dans la boue qui remonte à la surface, on procède à un carottage qui consiste à prélever un échantillon du sous-sol terrestre à l'aide d'un trépan spécial. Ces prélèvements fournissent 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. De multiples études économiques sont ensuite réalisées pour estimer la rentabilité de l'exploitation du gisement.

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