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Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie L'industrie chimique et le pétr

Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie L'industrie chimique et le pétrole Dossier pédagogique réalisé dans le cadre du programme de conférences « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » coordonné par la cellule www.sciencesadventure.be Ce dossier a bénéficié de la relecture avisée de Jean-Noël Bertrand, conférencier senior responsable du thème. Les élèves d'aujourd'hui sont les professionnels de demain ! L'industrie chimique et le pétrole 3 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » Table des matières La formation du pétrole 4 La production du pétrole 5 Les réserves de pétrole 8 La demande en pétrole 9 La composition du pétrole brut 10 Le raffinage 11 Le moteur à combustion interne 18 L'indice d'octane 19 Références 21 L'industrie chimique et le pétrole 4 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La formation du pétrole De la matière organique d'origine végétale ou animale, composée de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène, se dépose au fond d'une zone d'eau profonde en même temps que du sable et de la vase. Au bout de dizaines de millions d'années, la transformation des matières organiques commence sous l'influence des agents bactériens et d'une augmentation de la température et de la pression (environ 3 °C et 25 bars tous les 100 m). L'azote et l'oxygène sont éliminés et des hydrocarbures gazeux ou liquides se forment : c'est le gaz naturel et le pétrole. Au fil du temps, les dépôts précédents sont recouverts par des couches successives de sédiments. Moins denses que la roche qui les a vu naître, les hydrocarbures migrent vers la surface mais des roches imperméables entravent leur remontée. Ils vont alors être piégés dans une couche poreuse et former un gisement, qui ressemble à une gigantesque éponge imbibée de liquides et de gaz. Le gisement contient, de bas en eau, de l'eau salée, du pétrole et du gaz. L'industrie chimique et le pétrole 5 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La production du pétrole (1) Après avoir repéré (par photos aériennes ou images satellites) des structures (plissements, failles) qui pourraient se traduire par la présence de pièges à pétrole en profondeur, des géologues récoltent et analysent divers échantillons de roches pour les caractériser. Pour conclure à la présence d'un gisement, il s'agit ensuite de mener une campagne sismique pour obtenir une représentation en 3D du sous- sol. Sur terre, des camions vibreurs frappent le sol pour générer des mini- tremblements. En étudiant ces ondes sismiques, ils peuvent connaître les propriétés physiques des roches traversées. En mer, ce sont des bateaux équipés d'un canon à air comprimé qui vont provoquer une onde sismique qui se propage jusque dans le sol. Un forage exploratoire est finalement réalisé pour vérifier la présence d'un gisement d'hydrocarbures exploitable. On peut identifier des grandes provinces pétrolières et gazières à travers le monde. Ainsi, le Moyen-Orient détient plus de 60% des réserves de brut prouvées. Du pétrole en Pennsylvanie ! Le 27 août 1859, du pétrole jaillit pour la première fois du sous-sol des États-Unis. Ayant creusé à 23 mètres de profondeur, le Colonel Drake trouve du pétrole, beaucoup de pétrole ! Une ère nouvelle s’ouvre pour l’humanité... L'industrie chimique et le pétrole 6 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La production du pétrole (2) La production consiste à faire remonter vers la surface les hydrocarbures emprisonnés dans le sous-sol. Comme les gisements sont très vastes (plusieurs kilomètres carrés), un certain nombres de forages sont nécessaires pour exploiter le réservoir. Pour réaliser un forage, on installe tout d'abord une haute tour métallique, le derrick, qui sert de support à des tiges de forage. Au bout de la première tige, on fixe un outil de forage en trois parties, nommé trépan, muni de dents ou de pastilles en acier très dur. Il joue le rôle d'une énorme perceuse qui, grâce à un mouvement rotatif, broie la roche en petits morceaux. A mesure que l'on s'enfonce dans le sous-sol, on ajoute une nouvelle tige de forage en la vissant à la précédente pour obtenir la longueur souhaitée : on obtient un train de tiges. Pour éviter l'effondrement du trou, on pose progessivement sur toute sa longueur de gros cylindres creux pour réaliser un tubage. Pendant que l'on creuse le trou, on y injecte en permanence de la boue de forage. Son rôle est multiple : refroidir l'outil de forage, faciliter l'attaque de la roche, ramener les déblais à la surface et consolider les parois du puits. Elle sert également à équilibrer la pression à l'intérieur du tubage pour éviter un jaillissement brutal de pétrole, d'eau ou de gaz. L'industrie chimique et le pétrole 7 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La production du pétrole (3) Outre son exploitation sur terre (on-shore), un gisement d'hydrocarbures peut être exploité en pleine mer (off-shore). Il existe différents types d'appareils de forage, adapté chacun à une profondeur d'eau. Lors de la production sur plateformes fixes et semi-subversibles, gaz et pétrole sont acheminés par pipeline vers un terminal terrestre. Pour des zones où déployer un pipeline est impossible voire trop coûteux, on utilise une unité flottante de production, de stockage et de déchargement (FPSO), un navire à positionnement dynamique qui stocke le pétrole avant qu'ils soit récupéré par des pétroliers. Un FPSO recueille quotidiennement 240 000 barils et a une capacité de stockage de 2 millions de barils. Des défis technologiques ! Avec les techniques classiques, pas moins des deux tiers du pétrole découvert restent encore piégés sous terre. Meilleurs forages, nouveaux dispositifs de pompage, gisements difficile d'accès... de nombreux défis technologiques que les pétroliers cherchent à relever ! L'industrie chimique et le pétrole 8 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » Les réserves de pétrole Les réserves pétrolières désignent, à partir de champs de pétrole découverts, la part qu'il est possible d'exploiter en tenant compte des contraintes économique et technologiques. Au niveau mondial, les pays appartenant à l'OPEP (organisation des pays exportateurs de pétrole) détiennent près de 75 % des réserves. Estimer la durée de vie des réserves de pétrole brut est difficile car plusieurs facteurs interviennent : • géologiques (incertitude sur l'estimation, possibilité de nouvelles découvertes); • techniques (amélioration de la récupération); • économiques (rythmes de consommation, prix acceptables). L'industrie chimique et le pétrole 9 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La demande en pétrole Selon le lieu de production, le pétrole est acheminé vers les raffineries par voie maritime (bateaux) ou terrestre (oléoducs). Globalement, la moitié du pétrole part du Moyen-Orient vers le Japon, les Etats-Unis ou l'Europe. Le coût du transport représente 5 à 10 % de la valeur ajoutée. La consommation mondiale de pétrole représente plus de 30 milliards de barils par an (c'est-à-dire 13 milliards de litres par jour). Cette demande est en forte croissance : elle a augmenté de 11 % entre 1970 et 2000, on estime qu'elle va encore augmenter de 30 à 40 % d'ici 2030. C'est le résultat de la combinaison de plusieurs facteurs, tels que la croissance démographique, l'expansion du secteur des transports et l'émergence de nouveaux pays industrialisés. L'industrie chimique et le pétrole 10 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie » La composition du pétrole brut ou benzène (C6H6) H H H H H H H H H H H H C C C C C C Le pétrole est composé de molécules exclusivement constituées d'atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H) : les hydrocarbures. Dans les hydrocarbures, le carbone peut s'associer à lui même à l'hydrogène On les classe selon la façon dont sont reliés les atomes de carbone et d'hydrogène : ► les alcanes (ou paraffines) ► les alcènes (ou oléfines) ► les aromatiques liaisons simples C – C Cn H2n+2 quasi-totalité des gaz naturels et essentiel des pétroles usuels Cn H2n ► les alcynes Cn H2n-2 au moins une liaison double C = C au moins une liaison triple C ≡ C ex. : Propane (C3H8) chaîne linéaire ex.: Isobutane (C4H10) chaîne ramifiée principales matières de base des plastiques, solvants, cosmétiques... ex.: Propylène (C3H6) => polypropylène agents de synthèse en laboratoire ex.: Acétylène (C2H2) => flammes haute T° (sidérurgie) solvants et produits de départ pour divers procédés industriels base = cycle(s) avec alternance de liaisons simples et doubles (benzène) ex.: Toluène (C7H8) ► les naphtènes (ou cycloalcanes) solvants et intermédiaires de la pétrochimie base = cycle à 5 ou 6 atomes de carbone avec liaisons simples ex.: Cyclohexane (C6H12) Cn H2n L'industrie chimique et le pétrole 11 | Complément à la conférence « Les jeunes, la chimie et les sciences de la vie uploads/Industriel/ petrole-pdf.pdf