Le Pétrole : Guide Complet de l'Extraction aux Carburants

Qu'est-ce que le pétrole (l'huile) ?

Toute personne ayant un sens de l'observation peut décrire le pétrole comme un liquide visqueux dont la couleur varie du jaune au brun foncé à noir, avec des reflets verts. Il a aussi une odeur caractéristique et flotte dans l'eau. Ses constituants chimiques sont l'hydrogène, le carbone, l'oxygène. On y trouve également de plus petites quantités de soufre, d'azote et de métaux tels que V, Ni, Al, Fe, Cu, Na, Ca et U.

Quelle est la composition du pétrole ?

Principaux composants du pétrole :

• Composés aromatiques : Hydrocarbures cycliques insaturés.
• Alcanes : Hydrocarbures saturés, incluant les n-alcanes (linéaires) et les alcanes ramifiés (C5-C44).
• Cycloalcanes : Hydrocarbures cycliques saturés, avec des anneaux simples ou condensés.
• Asphaltènes : Composés complexes contenant de l'oxygène (O), de l'azote (N) et du soufre (S).

Quelles sont les principales fractions de distillat obtenues par distillation fractionnée du pétrole brut et quelles sont les températures associées au processus ?

Réponse :

Quels sont les principaux dérivés du pétrole ?

Combustibles dérivés :

• 93 octane
• 95 octane
• 97 octane
• 100/130 essence d'aviation
• Le kérosène domestique

Dérivés pétrochimiques :

• Éthylène
• Polyéthylène
• Polyéthylène basse densité
• Propylène
• Polypropylène
• Polypropylène haute densité

Dérivés industriels :

• White Essence
• Térébenthine minérale
• Xylène industriel
• Solvant Mining
• Solvant 4
• Solvant 10

Qu'est-ce qu'une raffinerie de pétrole ?

Il s'agit d'une installation industrielle où, grâce à un ensemble d'opérations, on obtient une série de produits à partir du pétrole brut (pétrole naturel extrait des gisements, avant transformation). Elle comprend la distillation (distillation fractionnée) et divers traitements chimiques.

• Huile obtenue à l'extraction des champs
• Lavage à l'eau pour éliminer les impuretés
• Distillation de séparation par point d'ébullition
• Réactions de conversion pour changer les structures moléculaires
• Mélange de composants pour les propriétés commerciales

• BRUT
• DESSALEMENT
• RAFFINAGE
• REFORMAGE
• MÉLANGE

Quelles sont les étapes du raffinage du pétrole ?

Réponse :

Quelles sont les réserves mondiales de pétrole ?

Réponse :

Qu'est-ce que la prospection pétrolière ?

Pour trouver du pétrole sous terre, les géologues doivent localiser un bassin sédimentaire riche en schistes organiques, où le pétrole a pu se former après avoir été enfoui suffisamment longtemps.

Quelles sont les méthodes de prospection appliquées à l'exploration pétrolière ?

• Méthode de gravité : Elle vise à déterminer les anomalies de gravité dues aux variations de densité du sous-sol par rapport à une densité de base. Elle permet de cartographier les variations de densité en 3D.
• Prospection magnétique : Elle consiste à détecter les anomalies du champ géomagnétique dues à la présence de minéraux ferromagnétiques, diamagnétiques et paramagnétiques.
• Prospection sismique : Elle consiste en l'enregistrement et l'interprétation des ondes sismiques générées par une explosion ou un choc (par exemple, un marteau vibrant), qui subissent des modifications en fonction des structures géologiques profondes.

Quelles sont les méthodes de forage pour l'extraction du pétrole ?

• Le forage par percussion : Il s'agit de laisser tomber un outil de coupe lourd de haut en bas dans le sol. Un barreau perforateur est enfoncé, puis un autre barreau est ajouté et solidement fixé à son extrémité libre.
• Le forage rotatif : Il utilise une table rotative horizontale fixée au centre de la sonde. Celle-ci est constituée d'un tube en acier solide (tige de forage) qui, à son extrémité inférieure, est munie d'une tête de coupe en acier dur ou de bords perforants, parfois équipés de diamants industriels, destinés à percer les roches. À mesure que la sonde pénètre dans le sol, de nouvelles sections de tube sont ajoutées et vissées à l'extrémité libre du tube de forage jusqu'à ce qu'il atteigne le gisement de pétrole.

Quels sont les procédés d'extraction du pétrole ?

• Procédés d'extraction primaire (éruptive) : La pression naturelle due au gaz méthane accumulé permet l'extraction.
• Le pompage par gaz ou par eau (Gas Lift / Waterflooding) : Cette procédure permet de pomper le pétrole restant (environ 50% de ce qui n'est pas récupéré par la méthode primaire). Elle utilise l'injection de vapeur d'eau ou de gaz pour augmenter la pression.

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• Extraction secondaire par injection de gaz ou de circulation d'eau : Cette procédure consiste à injecter de l'eau et du gaz dans le gisement, en parallèle, lorsque l'extraction éruptive n'est plus possible.

Comment le pétrole brut est-il classé selon la norme API ?

L'industrie mondiale classe les hydrocarbures liquides (pétrole) en fonction de leur densité API (American Petroleum Institute), une mesure qui distingue les différentes qualités de pétrole brut.

Caractéristiques de certains combustibles : kérosène, naphta, gazole, fioul

• Naphta : C'est un combustible très volatil et inflammable, principalement utilisé comme carburant pour moteurs à combustion. Son pouvoir calorifique est de 11 000 cal/kg.
• Kérosène : C'est un dérivé moins volatil et inflammable que l'essence. Son pouvoir calorifique est de 10 500 cal/kg. Il est utilisé pour le chauffage et comme carburant pour les turbopropulseurs et les moteurs à turbine à gaz d'aéronefs.
• Gazole : C'est un dérivé lourd, moins volatil que l'essence. Son pouvoir calorifique est de 10 250 cal/kg. Il est largement utilisé pour le chauffage et dans les fours industriels et métallurgiques.
• Diesel-oil : C'est un sous-produit obtenu à partir de dérivés du pétrole lourd. Il brûle plus lentement que le gazole. Il est utilisé principalement dans les moteurs diesel lents où le carburant a plus de temps pour brûler. Son pouvoir calorifique est de 11 000 cal/kg.
• Fioul : C'est un sous-produit obtenu à partir de dérivés du pétrole lourd. Il brûle avec difficulté. Son pouvoir calorifique est de 10 000 cal/kg.

Comment classer les processus de raffinage (reformage) ?

Bien qu'il existe de nombreux procédés intermédiaires pour améliorer la qualité, on peut les classer en trois groupes principaux pour faciliter la compréhension du reformage :

• Distillation simple : Permet d'obtenir des produits pétroliers sans modification structurelle.
• Craquage thermique : Consiste à rompre les chaînes aliphatiques extrêmement longues pour créer des chaînes plus courtes, y compris des cycles aromatiques.
• Alkylation et craquage catalytique : Ces procédés transforment les produits du craquage thermique pour augmenter les ramifications moléculaires, ce qui améliore l'indice d'octane de l'essence.

Concepts de base liés aux propriétés physiques des carburants

• Comburant : Substance ou mélange de substances fournissant l'oxygène ou un autre élément nécessaire à la combustion.
• Combustible : Substance ou mélange de substances qui peut s'enflammer.
• Combustion : Oxydation rapide d'une substance par l'action de l'oxygène de l'air ou d'autres oxydants, avec dégagement de chaleur et, généralement, de gaz.
• Détonation : Explosion résultant d'une réaction chimique qui produit une onde de choc ou de pression. Cette onde génère des températures et des gradients de pression élevés, se propageant presque instantanément à travers le corps du matériau, avec des effets dévastateurs.
• Explosion (Souffle) : Action et effet d'une réaction chimique ou physique, caractérisée par sa grande vitesse de développement, impliquant une expansion extrêmement rapide des gaz, associée à une onde de compression et généralement accompagnée d'un dégagement de chaleur.
• Inflammation : Début de la combustion causé par une élévation locale de température. Ce phénomène se produit lorsque le combustible atteint sa température d'inflammation ou son point d'éclair.
• Température d'auto-inflammation : Température minimale à laquelle une substance s'auto-enflamme et maintient une combustion soutenue, sans source d'énergie externe. Également connue sous le nom de température d'auto-allumage.
• Point d'éclair : Température la plus basse à laquelle un liquide émet suffisamment de vapeurs pour former un mélange inflammable avec l'air, près de la surface du liquide, dans un récipient et selon des procédures d'essai spécifiées.
• Point d'écoulement : Température à laquelle le pétrole cesse de couler, passant à l'état solide dans des conditions de pression ambiante. C'est la température la plus élevée (généralement inférieure à 0°C) à laquelle le pétrole ne peut plus s'écouler ou se déformer sous son propre poids.
• Point de rosée : Température à laquelle la vapeur d'eau contenue dans l'air commence à se condenser, produisant de la rosée, du brouillard ou, si la température est suffisamment basse, du gel.
• Point de solidification : Température à laquelle un carburant liquide passe à l'état solide.
• Compression adiabatique : La compression adiabatique a été la cause de plusieurs explosions très destructrices. Lorsqu'elle est appliquée de manière contrôlée, elle n'est pas dangereuse ; c'est par exemple le principe de fonctionnement des moteurs diesel. Si un mélange inflammable est rapidement comprimé, la compression peut générer suffisamment de chaleur pour élever la température des vapeurs inflammables jusqu'au point d'ignition.
• Point d'ébullition : C'est la température à laquelle la pression de vapeur d'équilibre d'un liquide est égale à la pression atmosphérique totale existant à sa surface. Le point d'ébullition dépend entièrement de la pression atmosphérique totale et augmente avec la pression. La température d'ébullition d'un liquide sous une pression totale d'une atmosphère (14,7 psi) est appelée le point d'ébullition normal. La plupart des liquides inflammables et des gaz actuellement sur le marché sont des mélanges et n'obéissent pas aux lois physiques qui régissent les matières pures. Les points d'ébullition des mélanges sont déterminés par les courbes de distillation (méthode d'essai pour la distillation des produits pétroliers).
• Volatilité : La volatilité est une propriété mesurée par la pression de vapeur. Elle indique indirectement la teneur en composants les plus volatils, ce qui est important pour la sécurité des produits pendant le transport et le stockage. Cette propriété doit également être liée aux caractéristiques environnementales (altitude, température et humidité) pour la conception du stockage du produit.
• Combustion imparfaite : La combustion est jugée imparfaite lorsqu'une partie du carburant, qui entre en réaction, est oxydée à un degré inférieur au maximum, ou ne s'oxyde pas du tout.
• Combustion complète : La combustion est complète lorsque tout le combustible est brûlé, qu'elle soit parfaite (idéale) ou imparfaite (avec sous-produits).
• Courbes d'ébullition et indice d'ébullition : Cette propriété est liée à la composition de l'essence, à sa volatilité et à sa pression de vapeur. Elles indiquent la température à laquelle un certain pourcentage de l'essence s'évapore, par rapport à un échantillon de référence.
• Indice d'octane : L'indice d'octane de l'essence est une mesure de sa capacité antidétonante. Plus l'indice d'octane est élevé (ou indice antidétonant), plus la résistance du carburant au cliquetis du moteur est grande. Le moteur d'un véhicule est conçu pour utiliser un carburant avec un indice d'octane spécifique (indiqué dans le manuel du véhicule). Si le carburant s'enflamme spontanément avant l'arrivée de la flamme de la bougie dans le cylindre de combustion, cela provoque une double explosion simultanée (le cliquetis). Pour l'essence d'aviation, l'indice d'octane varie entre 100 et 130 selon les exigences du moteur à pistons utilisé. Ce résultat est obtenu avec des additifs à base de plomb, les seuls à contenir cet antidétonant. La mesure est réalisée différemment de celle de l'essence automobile. L'indice d'octane est la propriété principale de l'essence, fortement liée à la performance du moteur. Il mesure la résistance de l'essence à être comprimée dans le moteur, par rapport à des modèles de référence : l'isooctane (indice 100) et le n-heptane (indice 0). En conditions normales, la combustion est rapide et silencieuse, mais si l'indice d'octane est insuffisant, la combustion devient violente, provoquant une détonation qui peut endommager gravement le moteur. Comme indice expérimental et sans dimension, sa mesure dépend de la méthode. Les plus courantes sont le RON (Research Octane Number) et le MON (Motor Octane Number). Chacune mesure l'apparition de la détonation dans des conditions différentes, d'où des valeurs différentes, bien que le moteur d'essai soit le même dans les deux cas.
• Indice de cétane : Représente un indice de la capacité d'auto-inflammation du combustible. Il est défini comme le pourcentage en volume de cétane (une paraffine à laquelle est attribuée une note de 100) dans un mélange d'alpha-méthylnaphtalène offrant le même délai d'auto-inflammation que le combustible en question. Plus l'indice de cétane est élevé, plus le délai d'allumage est court, ce qui améliore les performances du moteur diesel.
• Densité : Cette propriété est utilisée pour calculer le poids du carburant. Elle est particulièrement importante pour le fret aérien afin de déterminer la charge limite.
• Point de trouble (ou point de turbidité) : C'est la température la plus élevée à laquelle le pétrole a tendance à devenir trouble en raison de la présence de paraffines solides. Lors de l'essai, le technicien de laboratoire inspecte visuellement l'échantillon après refroidissement pour détecter la présence de paraffines.
• Gommes existantes : Cette propriété est liée à la mesure de la stabilité d'un carburant. Elle correspond à une oxydation accélérée qui entraîne la formation de revêtements et de polymères, formant des dépôts dans le système de combustion. Pour les produits, les valeurs mesurées sont relativement faibles par rapport aux exigences spécifiées.
• Pression de vapeur Reid (PVR) : Mesure la tendance des composants les plus volatils à s'évaporer. La valeur maximale est de 80 kPa et elle permet d'éviter la formation de poches de vapeur dans le système de transport du combustible, ce qui pourrait empêcher son écoulement normal.
• Teneur en soufre : Cette propriété est très liée à la quantité de soufre (S) présente dans le produit. Il existe des moyennes et des statistiques sur la teneur en soufre du produit qui ne doivent pas être dépassées, car un excès de soufre peut avoir un effet corrosif sur les parties métalliques du moteur et les tuyaux d'échappement. De plus, les émissions de soufre par le tuyau d'échappement entraînent une forte contamination de l'environnement, contribuant notamment aux pluies acides.
• Viscosité : Mesure la résistance d'un fluide à l'écoulement.
• Teneur en eau et sédiments : La présence d'eau dans le carburant est généralement due à la condensation dans les réservoirs de stockage, à la perte de vapeur lors du chauffage des réservoirs, etc. La présence d'eau et de sédiments peut causer des problèmes avec les filtres et les brûleurs, et entraîner de la corrosion dans les réservoirs et les conduites.