Editeur Union Pétrolière Löwenstrasse 1 CH-8001 Zurich Illustrations Riccardo Bellettati, Windisch

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1 LE PÉTROLE

2 Le pétrole

3 Editeur Union Pétrolière Löwenstrasse 1 CH-8001 Zurich Illustrations Riccardo Bellettati, Windisch Page de couverture David Barbey, Fribourg Graphisme et impression Wolfau-Druck Rudolf Mühlemann, Weinfelden Edition 2001

4 Table des matières Production et transport 1 Genèse du pétrole 1.1 Processus de formation du pétrole 1.2 Périodes de la genèse du pétrole 2 Prospection du pétrole 2.1 Etudes sismiques sur terre 2.2 Etudes sismiques en mer 3 Forages 3.1 Tour de forage 3.2 Types de trépan 3.3 Plates-formes de forage en mer 4 Exploitation des gisements 4.1 Détermination de l étendue d un gisement 4.2 Exploitation primaire du pétrole 4.3 Exploitation secondaire et tertiaire du pétrole 4.4 Construction d une plate-forme de production 4.5 Plate-forme de production 5 Transport du pétrole 5.1 Production et consommation de pétrole 5.2 Pétroliers 5.3 Réseau d oléoducs 5.4 Du puits de forage au consommateur Traitement et raffinage 6 Composition du pétrole brut 6.1 Préparation du pétrole brut 6.2 Classes d hydrocarbures 6.3 Classes d hydrocarbures 7 Traitement du brut et raffinage 7.1 Plages d ébullition et fractions 7.2 Teneur en produits de base de différentes sortes de pétrole brut 7.3 Distillation du pétrole brut 7.4 Raffinerie de Cressier 7.5 Désulfuration du mazout et du diesel 7.6 Procédés de conversion 7.7 Schéma d une raffinerie 8 Carburants 8.1 Cognement du moteur à essence 9 Huiles de chauffage 9.1 Principe du chauffage au mazout

5 10 Autres produits 10.1 Lubrifiants 10.2 La pétrochimie 10.3 Fabrication des produits en matière synthétique Environnement 11 Pétrole et hygiène de l air: 1 ère partie 11.1 Récupération des vapeurs d essence 11.2 Evolution des émissions de dioxyde de soufre 12 Pétrole et hygiène de l air: 2 e partie 12.1 Réactions chimiques dans un catalyseur à trois voies 12.2 Le catalyseur à trois voies réglé 12.3 Mesures destinées à réduire les émissions polluantes des moteurs diesel 12.4 Brûleur à mazout: principe de la combustion à faibles émissions polluantes 12.5 Epuration catalytique des gaz de combustion produits par les centrales de chauffe 14 Pétrole et protection des eaux 14.1 Sources de pollution des mers par le pétrole 14.2 Caractéristiques de construction des pétroliers modernes 14.3 Le procédé Load on Top 14.4 Entreposage de produits pétroliers 15 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.1 Rendement énergétique de conversion 15.2 Teneur énergétique des carburants 15.3 Formes d exploitation de l énergie solaire 15.4 Conversion des carburants en travail mécanique

6 Feuilles de travail Production et transport 3 Forages 3.1 Tour de forage 3.3 Plates-formes de forage en mer 4 Exploitation des gisements 4.2 Exploitation primaire du pétrole 4.3 Exploitation secondaire et tertiaire du pétrole 4.4 Construction d une plate-forme de production 4.5 Plate-forme de production 5 Transport du pétrole 5.1 Production et consommation de pétrole 5.2 Pétroliers 5.3 Réseau d oléoducs 5.4 Du puits de forage au consommateur Traitement et raffinage 6 Composition du pétrole brut 6.1 Préparation du pétrole brut 6.2 Classes d hydrocarbures 6.3 Classes d hydrocarbures 7 Traitement du brut et raffinage 7.1 Plages d ébullition et fractions 7.3 Distillation du pétrole brut 7.5 Désulfuration du mazout et du diesel 7.6 Procédés de conversion 7.7 Schéma d une raffinerie 9 Huiles de chauffage 9.1 Principe du chauffage au mazout 10 Autres produits 10.1 Lubrifiants 10.2 La pétrochimie 10.3 Fabrication des produits en matière synthétique

7 Environnement 11 Pétrole et hygiène de l air: 1 ère partie 11.1 Récupération des vapeurs d essence 12 Pétrole et hygiène de l air: 2 e partie 12.1 Réactions chimiques dans un catalyseur à trois voies 12.2 Le catalyseur à trois voies réglé 12.3 Mesures destinées à réduire les émissions polluantes des moteurs diesel 12.4 Brûleur à mazout: principe de la combustion à faibles émissions polluantes 12.5 Epuration catalytique des gaz de combustion produits par les centrales de chauffe 14 Pétrole et protection des eaux 14.1 Sources de pollution des mers par le pétrole 14.2 Caractéristiques de construction des pétroliers modernes 14.3 Le procédé Load on Top 14.4 Entreposage de produits pétroliers 15 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.3 Formes d exploitation de l énergie solaire

8 Genèse du pétrole 1.1 Processus de formation du pétrole Les micro-organismes et les matériaux organiques se déposent et forment une couche de boue Recouvrement avec des matériaux imperméables (p. ex. argile) Putréfaction stoppée par le manque d oxygène Transformation par la présence de bactéries anaérobies Compactage des couches de sédimentation Autre transformation sous l effet de la pression et de l élévation de la température Plissement des couches de sédimentation Migration et sédimentation de gaz, d huile et d eau dans un piège à pétrole anticlinal

9 Genèse du pétrole 1.2 Périodes de la genèse du pétrole Humains Mammifères Oiseaux Végétaux dicotylédones Articulés Poissons Végétaux terrestres Insectes Reptiles Conifères Micro-organismes Précambrien Paléozoïque Mésozoïque Cénozoïque En millions d années

10 Exploration pétrolière 2.1 Etudes sismiques sur terre Sismogramme Véhicule sismique avec vibrateur Géophone Véhicule d enregistrement des mesures 2

11 Exploration pétrolière 2.2 Etudes sismiques en mer Sismogramme Pulsateur à air (canon à air) 2 Hydrophones 3 Navire hydrographe 3

12 Forage 3.1 Tour de forage Système d entraînement de la table de rotation 1 Aire de travail 2 Table de rotation 3 Tige d entraînement 4 Palan 5 Tiges de forage 6 Moteurs diesel 7 Pompe d injection du liquide de curage 8 Tête d injection 9 Bac à boues 10 Blocs d obturation du puits Blocs d obturation du puits

13 Forage 3.2 Types de trépan Trépan à molettes Trépans à diamants

14 Forage 3.3 Plates-formes de forage en mer Plate-forme fixe Plate-forme flottante semi-submersible jusqu à 90 m jusqu à 300 m Navire de forage plus de 1000 m

15 Exploitation des gisements 4.1 Détermination de l étendue d un gisement Forage sur du gaz et du pétrole Forages d extension sur un gisement de pétrole Forages d extension improductifs sur une poche d eau

16 Exploitation des gisements 4.2 Exploitation primaire du pétrole Exploitation éruptive résultant de la pression naturelle du gaz et de l eau du gisement Exploitation avec pompe à piston plongeur Exploitation par injection de gaz

17 Exploitation des gisements 4.3 Exploitation secondaire et tertiaire du pétrole Exploitation secondaire: augmentation de la pression de l eau au sein du gisement par injection d eau Exploitation tertiaire: rendement d exploitation amélioré par injection de vapeur ou d additifs chimiques

18 Exploitation des gisements 4.4 Construction d une plate-forme de production Construction des ballasts et des supports dans le dock Remplissage des ballasts et pose de la plateforme sur ses supports Soulèvement par vidange des ballasts et transport sur le lieu de production

19 Exploitation des gisements 4.5 Plate-forme de production 1 Réservoir sous-marin de stockage 2 Oléoduc sous-marin en direction de la côte 3 Oléoduc sous-marin en direction de la bouée de stockage 4 Bouée de stockage et de chargement 5 Pétrolier

20 Transport du pétrole 5.1 Production et consommation de pétrole Régions exportatrices Régions importatrices Production de pétrole Consommation de pétrole Excédent de production Besoin d importation

21 Transport du pétrole 5.2 Pétroliers Le compartimentage des citernes stabilise le pétrolier Passerelle de commandement 2 Timonerie 3 Logement de l équipage 4 Cantine 5 Cuisine 6 Magasin des vivres 7 Installations de pompage 8 Salle des machines Soute à combustible 10 Sloptanks latéraux 11 Citernes latérales pour eau de ballast 12 Citernes latérales de chargement du pétrole 13 Citernes médianes de chargement du pétrole 14 Conduites de chargement et déchargement

22 Transport du pétrole 5.3 Réseau d oléoducs Amsterdam Rotterdam Anvers Karlsruhe Ingolstadt Rhin Cressier Collombey Genève Trieste Gênes Marseille Oléoducs pétrole brut Pipelines produits pétroliers Raffineries: jusqu à 3 mio t/an de 5 à 10 mio t/an de 10 à 18 mio t/an

23 Transport du pétrole 5.4 Du puits de forage au consommateur Installations de production offshore et onshore Oléoduc Pétrolier Dépôt pétrolier portuaire Raffinerie à l étranger Raffinerie en Suisse Chemin de fer Centrale thermique Stockage pour l importation et le commerce de gros Camion-citerne Stockage pour le commerce de détail Industrie Trafic aérien Trafic routier Ménages, artisanat, services

24 Composition du pétrole brut 6.1 Préparation du pétrole brut Séparateur de gaz Séparateur d huile et d eau 5 1 Pétrole brut provenant du lieu de production 2 Gaz de pétrole 3 Four à serpentins 4 Adjonction de produits chimiques 5 Eau salée Pétrole brut destiné à la raffinerie

25 Composition du pétrole brut 6.2 Classes d hydrocarbures Méthane CH4 Paraffiniques Ethane C2H6 Propane C3H8 Butane C4H10 Isobutane C4H10 Ethylène C2H4 Oléfines Propène C3H6 Butène C4H8 Pentène C5H10 Isobutène C4H8 Atome de carbone (C) Atome d hydrogène (H) Liaison simple Liaison double

26 Composition du pétrole brut 6.3 Classes d hydrocarbures Naphténiques Cyclopentane C5H10 Cyclohexane C6H12 Cyclopentane de méthyle C6H12 Aromatiques Benzène C6H6 Naphtalène C10H8 Toluène C7H8 Liaison simple Atome de carbone (C) Atome d hydrogène (H) Liaison double

27 Traitement du brut et raffinage 7.1 Plages d ébullition et fractions Plage d ébullition Fraction Utilisation jusqu à 15 C Gaz Pétrochimie, combustibles C Essence légère Pétrochimie, essence pour voitures C Essence lourde Essence pour voitures, pétrochimie C Pétrole lampant Kérosène C Gasoil Diesel, mazout au-dessus de 350 C Résidus Huile de chauffage lourde, distillation sous vide

28 Traitement du brut et raffinage 7.2 Teneur en produits de base des différentes sortes de pétrole brut 2% 2% 3% 13% 18% 19% 10% 15% 13% 15% 20% 24% 60% 45% 41% Safaniya Moyen-Orient Iranian Light Iran Forties Grande-Bretagne Forcados Nigeria 2% 13% 20% 25% 40% Zueitina Libye 1% 22% 17% 22% 38% Gaz et gaz liquéfié Essence Pétrole lampant Gasoil Résidus

29 Traitement du brut et raffinage 7.3 Distillation du pétrole brut Gaz Essence légère Essence lourde Plateaux à clapets dans la colonne de distillation Kérosène Colonne de distillation Gasoil (mazout et diesel) Four Brut Résidu de la distillation atmosphérique Gasoil Distillation sous vide Huile de base pour lubrifiants Four Huile de chauffage lourde Bitume

30 Traitement du brut et raffinage 7.4 Raffinerie de Cressier

31 Traitement du brut et raffinage 7.5 Désulfuration du mazout et du diesel Produit désulfuré Catalyseur au cobaltmolybdène, pression jusqu à 70 bars Hydrogène sulfuré H2S Hydrogène Soufre pour la fabrication d acide sulfurique et d engrais Four tubulaire 400 C Installation Claus 2 H2S + SO2 = 3 S + 2 H2O Produit contenant du soufre Eau

32 Traitement du brut et raffinage 7.6 Procédés de conversion Catalyseur 450 C, 15 bars + Craquage Fractionnement d une liaison d hydrocarbures Pentane C5H12 Ethane Propane Pentane (indice d octane 61,7) Catalyseur 150 C Reformage Transformation d une liaison d hydrocarbures Isopentane (indice d octane 92,3) Polymérisation, alcoylation + Catalyseur Reconstitution de deux liaisons d hydrocarbures Isobutane Isobutylène Isooctane (indice d octane 100) Atome de carbone (C) Atome d hydrogène (H) Liaison simple Liaison double

33 Traitement du brut et raffinage 7.7 Schéma d une raffinerie Distillation Gaz Essence Pétrole lampant Brut Gasoil Résidu de la distillation atmosphérique Distillation sous vide Gasoil Résidu de la distillation sous vide Brut Distiller Distiller sous vide Reformage Polymérisation Alcoylation Craquage thermique Craquage catalytique Hydrocraquage Conversion: Transformer Reconstituer Fragmenter Unité de séparation des gaz Gaz liquéfiés Mélangeur essence Essence pour moteurs Kérosène Unité de désulfuration Mélangeur gasoil Carburant diesel Mazout Soufre Mélangeur huile de chauffage lourde Huile lourde Bitume Séparer Désulfurer Mélanger Produits finis

34 Carburants 8.1 Cognement du moteur à essence Essence à faible indice d octane Essence à indice d octane élevé Pentane, indice d octane 61,7 Isopenthane, indice d octane 92,3 Processus de combustion incontrôlé (détonation) Surchauffe et détérioration des pièces métalliques Réduction de la force motrice Processus régulier de combustion Front régulier des flammes Utilisation optimale de la force motrice

35 Huiles de chauffage 9.1 Principe du chauffage au mazout 1 Orifice de remplissage 2 Evacuation d air 3 Sécurité en cas de trop-plein 4 Soupape d arrêt 5 Brûleur à mazout 6 Tableau de commande 7 Sonde de température externe 8 Chambre de combustion 9 Dispositif de mélange 10 Pompe de circulation 11 Vanne d arrêt 12 Sonde de température de départ 13 Vase d expansion 14 Entrée d eau froide 7 2 Citerne à mazout 4 Centrale de chauffe compacte Alimentation en mazout Production de chaleur 15 Sortie d eau chaude 16 Départ du chauffage 17 Retour du chauffage Préparation d eau chaude Chauffe-eau 14 Eau chaude Radiateur Chauffage par rayonnement Débit de chaleur et d eau chaude

36 Lubrifiants et bitumes 10.1 Lubrifiants 7 7 Refroidir Evacuer la chaleur des surfaces de frottement des éléments du moteur (températures entre 80 C et 300 C) 3 Etancher Obstruer les cavités entre le piston et la paroi du cylindre. Meilleur rendement de l explosion 6 5 Lubrifier Réduire les frottements; les éléments en mouvement se déplacent plus librement les uns par rapport aux autres et s usent moins Protéger contre la corrosion Prévenir la rouille, neutraliser les produits acides issus de la combustion 1 Carter 2 Filtre à tamis 3 Filtre à huile 4 Paliers du vilebrequin 5 Coussinet de bielle 6 Piston 7 Arbre à cames Maintenir la propreté du moteur Recueillir les particules métalliques résultant de l abrasion ainsi que les poussières et les produits de la combustion

37 Pétrochimie 10.2 La pétrochimie Gaz Essences (naphta) Pétrole lampant Gasoil Résidus de distillation atmosphérique Distillation Ma S Matières plastiques Solvants Ethylène Propène Vapocraquage Butadiène Butène Benzène Reformage Toluène Xylène Déshydrogénation Re De Résines, laques Détergents S A Re T S A MaRe MaRe T De A Ma Ma S De A Ma T Ma T Ca A Re S De Re A T A Re Ca Ca Re T Ca A Re T Ca S A Ma Ca A Re De Ma T S Ma Ca A SDe Re T A Re S De S A Oxygénation Chlorage Polymérisation Produits T A Textiles, fibres synthétiques Ca Caoutchouc Autres (Colles, antigel, désherbant etc.)

38 Pétrochimie 10.3 Fabrication des produits en matière synthétique Extrusion pour tubes ou feuilles Injection pour pièces pleines Emboutissage pour récipients ouverts Vacuum Air comprimé Soufflage pour récipients fermés

39 Pétrole et hygiène de l air 11.1 Récupération des vapeurs d essence Aire de stockage Citerne de stockage Installation de liquéfaction Camion-citerne Membrane flottante 2 Aération naturelle 3 Installation de liquéfaction 4 Essence 5 Vapeurs d essence Station-service 5 4 Citerne de la station-service Réservoir de la voiture

40 Pétrole et hygiène de l air 11.2 Evolution des émissions de dioxyde de soufre = Indice Charbon Huile de chauffage moyenne et lourde Mazout 0 Diesel

41 Pétrole et hygiène de l air 12.1 Réactions chimiques dans un catalyseur à trois voies Gaz d échappement non épurés Monoxyde de carbone 2 CO + O2 Oxydation Hydrocarbures 2 C2H6 + 7 O2 Oxydation Oxyde d azote 2 NO + 2 CO Réduction Gaz d échappement épurés Dioxyde de carbone 2 CO2 Dioxyde de carbone + eau 4 CO2 + 6 H2O Azote élémentaire + dioxyde de carbone N2 + 2 CO2

42 Pétrole et hygiène de l air 12.2 Le catalyseur à trois voies réglé Appareil de commande électronique 1 Arrivée d air 2 Mélange essence/air 3 Combustion 4 Gaz d échappement non épurés 5 Gaz d échappement épurés Catalyseur à trois voies Système d injection 3 Sonde lambda

43 Pétrole et hygiène de l air 12.3 Mesures destinées à réduire les émissions polluantes des moteurs diesel Forme de la chambre de combustion Meilleure répartition du mélange carburant/air Pression d injection Vaporisation fine du carburant Buses d injection Meilleure combustion et réduction des émissions de HC Refroidissement de l air de suralimentation Réduction des émissions de NOX Catalyseur à oxydation Moins d émissions de HC, de CO et d odeurs, moins de particules solubles Suralimentation Réduction de la consommation et des émissions Carburant Teneur en soufre plus faible, diminution des émissions de particules

44 Pétrole et hygiène de l air 12.4 Brûleur à mazout: principe de la combustion à faibles émissions polluantes Ventilateur Brûleur à mazout Chaudière Gaz de combustion en direction de la cheminée Amenée d air 2 Conduite d alimentation en mazout 3 Préchauffement du mazout 4 Buse de vaporisation 5 Tube-foyer 6 Zone de combustion avec processus intensif de mélange combustible/air et refroidissement de la flamme 7 Flamme de grande envergure refroidie (flamme bleue) 8 Recirculation des gaz de combustion

45 Pétrole et hygiène de l air 12.5 Epuration catalytique des gaz de combustion produits par les centrales de chauffe 3 Catalyseurs Gaz de combustion non épurés issus du brûleur 2 1 Apport d ammoniac 2 Evaporation 1 3 Mélangeur statique NOX, CO, HC Réduction NOX Oxydation CO Oxydation HC Gaz de combustion épurés en direction de la cheminée Dioxyde de carbone CO2 Vapeur d eau H2O Azote N2

46 Pétrole et protection des eaux 14.1 Sources de pollution des mers par le pétrole Hydrocarbures contenus dans les eaux usées industrielles 61% 2% Prospection et production offshore 14% Transport maritime (sans les pétroliers) 5% Accidents de pétroliers 7% Exploitation des pétroliers 10% Sources naturelles 1% Raffineries et dépôts pétroliers

47 Pétrole et protection des eaux 14.2 Caractéristiques de construction des pétroliers modernes Compartiments remplis de gaz inertes Navigation par satellite Double coque Eau de ballast dans la double coque Réservoir de carburant dans un endroit protégé

48 Pétrole et protection des eaux 14.3 Le procédé Load on Top Eau de ballast polluée Sloptank Nettoyage des compartiments Evacuation des résidus de pétrole dans le sloptank Rejet de l eau non polluée dans la mer Sloptank Remplissage avec de l eau de mer Sloptank Evacuation des résidus de pétrole dans le sloptank Ballasts propres Rejet de l eau non polluée dans la mer Nouveau chargement Eau de ballast propre évacuée dans la mer

49 Pétrole et protection des eaux 14.4 Entreposage de produits pétroliers Réservoir en acier Bassin de rétention Bassin de rétention Sécurité contre le débordement Fond du réservoir (acier) Revêtement étanche Canalisation d évacuation des pertes par infiltration Regard Revêtement étanche Pompe 7

50 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.1 Rendement énergétique de conversion 100% Rapport entre la quantité d énergie primaire et la quantité d énergie finale produite 50% 0% Carburants issus du pétrole des schistes bitumineux du charbon de la biomasse

51 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.2 Teneur énergétique des carburants 12 en kwh/kg Essence Diesel Gaz naturel, liquéfié Méthanol Biogaz sous forme gazeuse

52 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.3 Formes d exploitation de l énergie solaire Soleil Sources d énergie fossile Rayonnement solaire Utilisation directe Utilisation indirecte Pétrole Gaz naturel Charbon Chaleur (collecteurs solaires) Electricité (cellules photovoltaïques, centrales solaires) Energie hydraulique Energie éolienne Energie marémotrice Chaleur de l environnement (sol, eaux) Biomasse Energies non renouvelables Energies renouvelables

53 Solutions de remplacement et économies d énergie 15.4 Conversion des carburants en travail mécanique Centrale thermique de production d électricité Electricité Energie utile 33% Energie finale 100% M G A Pertes énergétiques 67% Centrale de couplage chaleur-force Electricité Energie finale 100% M G Chaleur Energie utile 80% A Pertes énergétiques 20% M Moteur à carburant fossile G Générateur A Chaleur dissipée

54 3.1

55 3.3

56 4.2

57 4.3

58 4.4

59 4.5

60 5.1

61

62 5.3

63 5.4

64 6.1

65 6.2

66 6.3

67 7.1

68 7.3

69 7.5

70

71 7.7

72 9.1

73 10.1 Refroidir Evacuer la chaleur des surfaces de frottement des éléments du moteur (températures entre 80 C et 300 C) Etancher Obstruer les cavités entre le piston et la paroi du cylindre. Meilleur rendement de l explosion Lubrifier Réduire les frottements; les éléments en mouvement se déplacent plus librement les uns par rapport aux autres et s usent moins Protéger contre la corrosion Prévenir la rouille, neutraliser les produits acides issus de la combustion Maintenir la propreté du moteur Recueillir les particules métalliques résultant de l abrasion ainsi que les poussières et les produits de la combustion

74 10.2 Gaz Essences (naphta) Pétrole lampant Gasoil Résidus de distillation atmosphérique Distillation Ma S Matières plastiques Solvants Ethylène Propène Vapocraquage Butadiène Butène Benzène Reformage Toluène Xylène Déshydrogénation Re De Résines, laques Détergents S A Re T S A MaRe MaRe T De A Ma Ma S De A Ma T Ma T Ca A Re S De Re A T A Re Ca Ca Re T Ca A Re T Ca S A Ma Ca A Re De Ma T S Ma Ca A SDe Re T A Re S De S A Oxygénation Chlorage Polymérisation Produits T A Textiles, fibres synthétiques Ca Caoutchouc Autres (Colles, antigel, désherbant etc.)

75 10.3

76 11.1

77 12.1

78 12.2

79 12.3

80 12.4

81 12.5

82 14.1

83 14.2

84 14.3

85 14.4

86 15.3

87