L'énergie d'aujourd'hui et de demain :
le point de vue d'un géologue ?

Par Alain Préat.
Département des Sciences
de la Terre
et de l'Environnement.
Faculté des Sciences



INFORSCIENCES

Réagissez !

...le barril (159 litres) règle et règlera encore longtemps nos activités...

Cela fait plus d'un siècle que la population humaine est confrontée à l'échelle planétaire au problème de l'énergie sous toutes ses formes. Les paradoxes ne manquent pas puisque l'histoire de cette période nous montre qu'une utilisation rationnelle de l'énergie ayant un souci prioritaire de la préservation de notre environnement ne va pas nécessairement de pair avec une gestion économique qui a toujours privilégié le court terme...

Avant d'analyser plus en détail les prospectives dans ce domaine à la lumière des leçons du passé et de la croissance prévue de la population humaine dans les décennies à venir, revenons à l'essentiel, c'est-à-dire aux contraintes 'terre à terre' qui sont justement celles où le géologue intervient. L'énergie s'est répartie de la manière suivante en 2000 : 40% a été apporté par l'huile (soit 24,5 milliards de barrils de 'pétrole'), 23% par le gaz, 22% par le charbon, 7% par le nucléaire et 8% par des ressources renouvelables (hydroélectricité, énergie éolienne, énergie de la biomasse...). Les énergies fossiles ont donc représenté 85% de l'énergie utilisée en 2000. Cette proportion n'a rien d'exceptionnel (elle était par exemple de 75% en 1998) et les scénarii pour les années futures (au moins jusqu'en 2050) ne prévoient aucun changement significatif. Jusqu'à 2025 on prévoit un recul de 5 à 10% de la part de ces énergies fossiles, non renouvelables, avec un 'tiercé' différent de leurs apports respectifs, puisque le charbon viendrait en première ligne suite notamment au développement industriel de la Chine...

 

Qu'entend-on donc par "énergies fossiles"... ?

Le pétrole est connu depuis les temps préhistoriques sous la forme de son dérivé oxydé qu'est le bitume et sous la forme des feux éternels alimentés par les gaz s'échappant le long de failles de certains gisements de pétrole. Le bitume fut utilisé, nous dit la Genèse, par Noé pour rendre son arche étanche et comme mortier par les constructeurs de la Tour de Babel. L'histoire a retenu un nom et une date pour la découverte du pétrole : le colonel Drake, Titusville en Pennsylvanie, 1859. Il faudra en effet attendre cette année pour que le premier puits couronné de succès lance l'ère du développement industriel du pétrole. Ce puits effectué par le colonel Drake, avec les fonds de la Seneca Oil Co., à Titusville, une bourgade minuscule de Pennsylvanie, atteignit le pétrole à une profondeur de 23 m environ et produisit 8 à 10 barils par jour.

Le pétrole -et le gaz naturel- trouvent leur origine dans la dégradation de matières organiques diverses : plancton, végétaux, animaux, etc. Lorsqu'elles tombent au fond de la mer, ces substances sont attaquées par les bactéries, détruites et perdues. En revanche, dans des eaux pauvres en oxygène -comme les fonds lacustres et les mers fermées- ces matières organiques se trouvent protégées. Elles forment alors des vases noirâtres qui peuvent s'accumuler progressivement, pendant des milliers ou des millions d'années, sur des dizaines, voire des centaines de mètres d'épaisseur. Enfouies dans des sédiments peu perméables, ces vases, le plus souvent argileuses, se transforment sous l'action de micro-organismes anaérobies (adaptés aux zones pauvres en oxygène) et donnent naissance à des assemblages macromoléculaires de produits carbonés que l'on nomme kérogène (du grec kéros : cire). Par leur charge, les nouveaux sédiments qui viennent s'entasser compactent ceux qui sont déjà là, au-dessous : leur porosité diminue et l'eau est expulsée.

La seconde étape consiste en une 'cuisson' de cette matière organique piégée : le kérogène subit un craquage thermique qui élimine l'azote et l'oxygène, les longues chaînes macromoléculaires se cassent, donnant naissance à des molécules plus ou moins courtes, formées exclusivement de carbone et d'hydrogène, les hydrocarbures. Les molécules sont d'autant plus courtes que la durée et la température de la transformation sont élevées. C'est ce mélange d'hydrocarbures que l'on nomme pétrole. Cette transformation a lieu dans ce que les pétroliers appellent la 'fenêtre à huile', où se produit la 'cuisson' du kérogène, située pour un gradient géothermique normal (1° pour 33 m d'enfouissement) entre environ 1000 m (à 60°C) et 4000 m (110-120°C). Là se forment donc, pendant plusieurs dizaines de millions d'années, l'huile et le gaz à partir des roches mères (généralement argileuses) ayant conservé la matière organique en quantité suffisante. A plus grande profondeur (à une température de 120-140°C et des pressions comprises entre 300 et 1500 bars), on obtient la chaîne hydrocarbonée la plus courte, le méthane (CH₄), qui correspond au cas extrême où le pétrole disparaît et il ne subsiste alors plus que du gaz naturel 'sec'.

La troisième étape, à plus grande profondeur, correspond à la fracturation de la roche mère qui est surpressurisée et à l'expulsion des micro-gouttelettes d'huile (migration primaire) qui coalescent progressivement. Ces goutellettes remontent ensuite dans des drains pour finalement s'arrêter dans un réservoir (ou roche réservoir, généralement un 'sable' lithifié ou une roche carbonatée) poreux qui ressemble à une éponge imbibée. Contrairement à une image répandue, un gisement de pétrole ne se présente pas comme une sorte de lac souterrain : mélangé à de l'eau et à du gaz dissous, le pétrole occupe les interstices microscopiques (= dont la dimension est de l'ordre du micromètre) d'une roche poreuse et le terme de 'nappe de pétrole' est tout à fait impropre. Dans le réservoir poreux qui est à la pression hydrostatique, l'huile -plus légère que l'eau- s'accumule progressivement dans la partie supérieure (migration secondaire). Si du gaz accompagne également l'huile, il s'accumule dans la partie tout à fait supérieure. Notons que le rendement de la migration primaire est des plus faibles : en moyenne 98% du pétrole formé dans les roches mères reste 'prisonnier'. Exceptionnellement le taux d'expulsion peut atteindre 80%, mais parfois aussi zéro ! Ainsi, la nature garde dispersés en son sein des milliards de tonnes d'hydrocarbures 'prisonniers' : un seul cube de roche-mère argileuse de 1 km de côté, générera, dans des conditions normales, environ 7 millions de tonnes de pétrole, dont 6,9 millions resteront bloqués dans l'argile, soit 10% environ de la consommation annuelle de la France en produits pétroliers ( seulement pour 1 km³ !!)...

Enfin, pour que le gisement de pétrole soit bien présent, il faut que le piège soit effectif, c'est-à-dire que la roche réservoir (sables, grès, calcaires, dolomies) soit recouverte ou scellée par une couche imperméable (= roche couverture généralement argileuse) sinon le pétrole s'échappe jusqu'à la surface du Globe comme cela est arrivé de nombreuses fois au cours de l'histoire géologique. Cela a encore lieu aujourd'hui et a d'ailleurs permis, à partir de ces indices de surface, 'de remonter' aux premiers gisements découverts au 19^ème siècle !

L'existence d'un gisement suppose donc que le pétrole ait pu se former, mais qu'ensuite une proportion suffisante se trouve rassemblée dans un piège. Ce processus est ainsi conditionné par l'ensemble des conditions géologiques qui régnaient dans les bassins sédimentaires pendant et après la sédimentation.

Le piège le plus classique est en effet l'anticlinal, qui est une structure en forme de dôme, résultant de phénomènes géodynamiques déformant les couches originellement horizontales. Pour le géologue, la présence d'un anticlinal, surmonté d'une couverture imperméable, est donc un indice favorable pour la recherche des hydrocarbures : 90% des très gros gisements, notamment ceux du Moyen-Orient, sont de ce type c'est-à-dire sont des pièges structuraux. Progressivement, on a cependant trouvé d'autres cibles telles que failles, dômes de sel, biseaux stratigraphiques... qui peuvent également se combiner (anticlinaux faillés...) et constituer ainsi des pièges stratigraphiques. En réalité les pièges ne sont pas aussi nombreux qu'on le pense et le rapport de la surface des gisements à celle d'un bassin productif total est de 1 à 100.

 

Les découvertes des gisements et les enjeux géopolitiques : une évidence...

Il n'est pas possible ici de développer les méthodes d'exploration pétrolière (géologiques, géochimiques, géophysiques...télédétection...) : elles sont nombreuses et pluridisciplinaires. Donnons tout de suite quelques chiffres significatifs de ces découvertes et, comme nous le verrons, les enjeux géopolitiques apparaîtront d'eux-mêmes. Aucune méthode ne garantit encore aujourd'hui le succès et l'exploration reste un art incertain, même si les avancées techniques les plus récentes réduisent considérablement l'incertitude. Ainsi, en phase d'exploration, le succès est garanti si 1 forage sur 9 a atteint un gisement (au-delà les compagnies perdent beaucoup d'argent et préfèrent abandonner la zone investiguée). A la phase d'exploration réussie (gisement découvert) succède la phase de développement avec implantation de forages pour mise en production : ici, malgré les connaissances très précises de la zone, 1 forage ou 'puits de développement' sur 2 ou 3 est couronné de succès. D'une manière générale, alors que le gisement peut s'étendre sur une dizaine de km de long et quelques km de large, la distance moyenne entre puits est de l'ordre de 500 mètres (ce qui fait 200 puits pour un gisement de 10 km sur 5). Le taux de récupération des gisements sans traitements spécifiques (récupérations secondaires, tertiaires), c'est-à-dire basé sur la pression naturelle régnant dans le gisement, ne dépasse pas 15 à 20% du pétrole contenu dans les réservoirs (il est de 10% en moyenne). Avec les récupérations 'assistées', mais coûteuses, ce taux de récupération est globalement, sur le plan mondial, voisin de 30% ! Le coût d'un puits de forage varie de 500.000 euros pour les puits bon marché à 100 millions d'euros (coût record atteint avec le puits de Kashagan au Kazakhstan en juillet 2000) avec une moyenne à 15 millions d'euros.

Venons-en enfin aux chiffres concernant les découvertes.

Il existe aujourd'hui environ 30.000 accumulations de pétrole dans le monde : elles sont très inégalement réparties puisqu'un seul pays -l'Arabie Saoudite- renferme 1/4 des réserves mondiales de pétrole prouvées récupérables, et une seule région -le Moyen-Orient- en contient les 2/3 (environ 66,4% en 1998) et 1/3 des réserves mondiales en gaz. En 2001, les réserves prouvées de pétrole brut sont de 141,2 milliards de tonnes soit environ 1035 milliards de bbl. Le pétrole du Moyen-Orient est également celui dont la production est la moins coûteuse, car il est contenu dans les réservoirs les plus larges, les plus épais et les plus poreux....

    

Il faut en effet savoir que, sur les 30.000 accumulations de pétrole répertoriées dans le monde, 1% (soit 300 accumulations) contient 3/4 des réserves. Ces 300 accumulations sont considérées soit comme des champs majeurs (>14 mégatonnes ou Mt, environ 100 millions de bbl) soit comme des géants (>70Mt, environ 500 bbl). Parmi les géants on a ensuite distingué une catégorie à part de 18 supergéants (réserves ultimes > 10 milliards de bbl) dont 14 sont situés au Moyen-Orient, 2 dans l'ex-URSS, 1 au Mexique et 1 au Venezuela. Le Moyen-Orient contient également dans sa liste 'des trophées' les 4 premiers supergéants...le n°1 est le champ de Ghawar découvert en 1948 à 2100 m de profondeur, formé d'un anticlinorium de 225 km de long ( !) sur 10 km de large, avec une colonne d'huile de 430 m ( !) dans des réservoirs d'âge jurassique. Ce champ contient à lui seul près de 100 milliards de barils. La production est assurée avec un peu moins de 400 puits.

A cette inégalité de répartition géologique se superpose une inégalité dans les débits des puits : les USA produisent sur leur territoire (en 1985) 500 Mt avec 500.000 puits (soit un débit journalier moyen/puits de 3 t c'est-à-dire 0,04 l/s), alors que la même quantité est produite avec seulement 3000 puits au Moyen-Orient avec un débit moyen de 7 l/s ! (le record se situe en Iran avec une moyenne de 56 l/s).

Que se passerait-il si on décidait d'arrêter l'exploration pétrolière aujourd'hui ?

Les USA pourraient tenir 7 à 10 ans avec leurs puits actuels (à faibles débits) pour couvrir leurs besoins en énergie, l'Europe et la Russie tiendraient 15 ans (avec également des puits à faibles débits) et le Moyen-Orient au minimum 100 ans (probablement 150 ans)avec de forts débits

De ces chiffres, qui ne tiennent pas compte de la politique de production du pétrole, apparaissent clairement les enjeux stratégiques ou géopolitiques. Mais avant de finir avec ces considérations, rappelons quand même que l'exploration pétrolière constitue une source inépuisable de données pour la géologie. On effectue en moyenne de 20.000 à 100.000 forages (non carottés) par année dans le monde. En 1985, 94.000 puits d'exploration ont été effectués (dont 69.000 aux seuls Etats-Unis pour 635 au Moyen-Orient !). La profondeur moyenne étant de 1,5 km, cela représente le forage de l'équivalent de 22 rayons terrestres. Ceci est à la fois insignifiant à l'échelle du volume du Globe et énorme pour l'acquisition de nouvelles données grâce à l'utilisation de techniques d'investigation toujours plus performantes. Ces quelques chiffres montrent ce que l'analyse des bassins sédimentaires doit aux pétroliers et expliquent pourquoi l'essentiel de cette discipline est anglo-saxonne. Depuis le début de l'aventure pétrolière, près de 3.000.000 de forages d'exploration ont déjà été effectués, et on ne compte plus ceux de développement...

 

...plus ou moins 'régulé' par la production...

 Finalement, c'est la production qui concrétise les lois du marché et conditionne l'économie du pétrole. Ainsi, depuis longtemps, deux traits majeurs sont la règle : les ressources sont inégalement réparties et les lieux majeurs de production et de consommation diffèrent. La production de pétrole brut a été de 3,5 milliards de tonnes en 1999 dont 41% par l'OPEP qui regroupe six pays du Moyen-Orient (Arabie Saoudite, Iran, Irak, Qatar, Koweit, Emirats Arabes Unis), trois d'Afrique (Algérie, Libye, Nigeria) ainsi que l'Indonésie et le Venezuela. Cette production correspond à une consommation mondiale journalière d'environ 75 millions de barils, l'Arabie Saoudite (25% des réserves mondiales) produisant près de 10 % (seulement !) avec 8,3 millions de bbl/jour. Les Etats-Unis absorbent chaque jour 20 millions de barils alors qu'ils n'en produisent que 8 dans le même laps de temps. On voit donc que les productions journalières de l'Arabie Saoudite et des USA sont les mêmes, la différence venant du fait qu'à ce rythme l'Arabie peut tenir plus de 150 ans et les USA à peine 7 ans, les premiers produisant tous "robinets fermés", les seconds toutes "vannes ouvertes", mais pas grandes ouvertes !... A titre de comparaison, la consommation journalière de la Belgique varie de 500.000 à 600.000 barils, pour une production 'locale' de zéro ! Ces quelques chiffres indiquent bien les enjeux stratégiques liés à l'approvisionnement de l'énergie -ici, les énergies fossiles qui représentent aujourd'hui plus de 85% de la consommation mondiale d'énergie...

 

...et le futur ?

Malgré les problèmes liés à la dégradation de l'environnement (effet de serre, etc.), à l'utilisation des énergies fossiles, la consommation de ces dernières reste fort élevée et leur utilisation future ne dépend que des stratégies politiques des pays consommateurs, en particulier de celles des USA, premier pays consommateur d'énergie dans le monde...

D'un point de vue strictement scientifique, l'ère du pétrole conventionnel n'est pas terminée et il lui reste au minimum une bonne quarantaine d'années devant elle, bien que les découvertes de gisements de taille significative se font de plus en plus rares et que la consommation mondiale d'énergie ne cesse d'augmenter dans le monde. Résultat : pour un baril trouvé, nous en consommons aujourd'hui quatre ! En outre, on estime que, de nos jours, à peu près la moitié des réserves récupérables est entamée. Les réserves ultimes (sans considération de conditions d'exploitation) en pétrole sont de 300 milliards de tonnes, ce qui laisse entrevoir 'raisonnablement' une période encore plus longue que 40 ans avant que la 'dernière goutte' de pétrole ne soit consommée. Ce scénario raisonnable est basé sur un taux d'accroissement annuel de 3 % de la population mondiale qui devrait se stabiliser à 10 milliards d'habitants vers 2050.

Les réserves prouvées et ultimes de pétrole non conventionnel (schistes bitumineux, sables asphaltiques) et de charbon sont encore plus grandes (au moins trois fois) que celles du pétrole et laissent entrevoir un allongement important de l'ère des énergies fossiles. Tout comme pour le pétrole, ces réserves sont inégalement réparties et concentrées au Venezuela, aux Etats-Unis et au Canada. Ce dernier produit déjà de façon rentable plusieurs millions de tonnes de pétrole extraits de sables asphaltés. De leur côté, la Chine et l'Inde, qui présentent plus de deux milliards d'habitants, possèdent de vastes réserves de charbon... A nouveau, les considérations géopolitiques risquent d'être déterminantes...

Enfin, d'immenses quantités de méthane sont stockées sous forme d'hydrates, les clathrates, soit dans le permafrost, soit au pied du plateau continental. La quantité de carbone présente dans ces hydrates est estimée au double de celle présente dans les gisements connus de charbon, de pétrole et de gaz. A nouveau l'utilisation de cette ressource n'est pas sans poser des effets écologiques sérieux (effet de serre renforcé, le méthane étant environ 50 fois 'plus efficace' que le CO₂ et risque de déstabilisation du talus continental)...

On voit donc que l'utilisation de l'énergie passe avant tout par des considérations économiques et politiques où le court terme a toujours prévalu, et que la préservation 'environnementale' de notre Planète à long terme ne pourra être possible que par des décisions également politiques. Notre long terme est donc inévitablement lié aux décisions politiques à court terme...

Dans le contexte actuel, les compagnies pétrolières continuent à chercher et à découvrir de nouveaux gisements... mais changent (en apparence ?) leur image puisqu'elles veulent s'en tenir à ce nouveau langage en 2001 :

 

First, it takes the courage to fight for the right to explore gently for find, develop, and produce the natural resources of this good earth. At present the energy industry is not fully succeeding in this, but in time, it shall, because it must ! MANKIND HAS TOO MUCH SPIRIT TO GO QUIETLY INTO THE ENDLESS NIGHT OF EXTINCTION BECAUSE OF A MISGUIDED REFUSAL TO USE NATURE'S BOUNTY.

ce qui peut se résumer à la conclusion d'une toute récente et intéressante synthèse de physiciens français (référence ci-contre) pour qui '...insensiblement et sans démarche explicitement volontariste, nos sources d'énergie tendent à mieux respecter l'environnement'.

A nouveau nous avons rendez-vous avec l'avenir....