Un puits de pétrole est un équipement chargé d'extraire le pétrole brut du sous-sol, comprenant un puits d'exploitation et du matériel de pompage ainsi que des systèmes de contrôle et/ou sécurité.
Généralement il est précédé d'un ou plusieurs « puits d'exploration » qui débouche sur un « puits d'appréciation » permettant d'estimer la quantité de pétrole qui pourra être extraite pendant la durée d'exploitation.
Histoire et évolutions techniques
Premières techniques d'exploitation Les premiers forages pétroliers connus aujourd'hui se situaient en Chine vers l’an 347. Les puits pouvaient atteindre une profondeur de et ont été forés à l’aide de trépans attachés à des poteaux de bambou dans l’objectif d’exploiter des puits de sel. Au , de vastes pipelines de bambou reliaient les puits de pétrole aux sources salées. Les anciennes archives, chinoises et japonaises, contiennent de nombreuses allusions à l'utilisation du gaz naturel pour l'éclairage et le chauffage. Le pétrole était connu comme eau brûlante au Japon au .
Certaines sources affirment qu'à partir du , des champs de pétrole ont été exploités dans la région moderne de Bakou, en Azerbaïdjan, pour produire du naphta destiné à l'industrie pétrolière. En 1264, l'exploitation de l'huile de suintement dans la Perse médiévale a été vue par Marco Polo lors de son voyage à travers Bakou, et il décrivit cet endroit comme une fontaine à pétrole et jugeait que plusieurs centaines de bateaux auraient été nécessaires pour transporter celui-ci dans sa totalité.
En 1594, des puits de pétrole sont creusés mais à la main, à Bakou, dans ce qui appartient à la Perse, d’une profondeur maximale de .
C'est en 1802 que les frères David et Joseph Ruffner forent un puits de avec une perche à ressort dans la vallée de Kanawha en Virginie-Occidentale pour produire de la saumure. Le forage prend 18 mois.
Évolution des techniques et l'apparition de l'industrie du pétrole vignette|1813, Péchelbronn, Alsace, Francevignette|1813, Péchelbronn, Alsace, France vignette|Exploitation pétrolière à Bakou en Azerbaïdjan. vignette|Tête de puits du champ pétrolifère de Salt Creek (Wyoming) en 1908.
En 1813, le tout premier puits de forage de recherche de pétrole au monde se trouve à Péchelbronn en Alsace, France. Sa profondeur est alors de 42 mètres. Les tout premiers puits de sondage, horizontaux, y datent de 1735.. L'activité autour du pétrole en Alsace du Nord représente 500 ans d'histoire.
En 1846, à Bakou, le tout premier puits a été foré avec des moutons de battage à une profondeur de pour l'exploration pétrolière. En 1848, le premier puits de pétrole moderne a été foré dans la péninsule d'Absheron, au nord-est de Bakou.
En 1854, les premiers puits de pétrole en Europe sont forés entre 30 et de profondeur à Bóbrka, en Pologne, notamment grâce à Ignacy Łukasiewicz, pharmacien polonais et pionnier de l'industrie pétrolière qui a construit l'un des premiers puits de pétrole modernes. L’utilisation des puits de pétrole modernes a engendré la création des premières société pétrolières européennes.
En Amérique du Nord, le premier puits de pétrole, exploité dans un but commercial, l’a été par Oil Springs (société pétrolière), en Ontario, en 1858.
D'après les archives, le , l'Américain Edwin L. Drake extrait pour la première fois du pétrole par forage, à une profondeur d'une vingtaine de mètres, à Titusville, en Pennsylvanie.. Il s'inspire pour cela des techniques de forage des puits de sel. Un lourd trépan creuse le sol en étant suspendu au bout d'un câble qui lui transmet depuis la surface un mouvement alternatif créé par un balancier. Il ne réussit pourtant pas à breveter sa technique de forage. Le colonel Edwin L. Drake est le premier à extraire du pétrole aux États-Unis et à réussir à l'exploiter économiquement à grande échelle. Le pétrole était certes connu depuis l'Antiquité, mais c'est la découverte de Drake qui marque le début de son exploitation industrielle, notamment avec l’exportation de celui-ci sous forme de baril. La découverte du puits de Drake provoqua la « ruée vers l'or noir »., la véritable naissance de l'industrie pétrolière et engendre une vague de recherches au niveau international sur le pétrole.
En 1861, le premier puits de pétrole, en Californie, est foré manuellement dans le comté de Humboldt.
Le premier puits de pétrole en mer est foré quant à lui en 1896, au gisement de pétrole de Summerland, sur la côte californienne.
En 1899, un puits de pétrole creusé à la main découvre le champ de Kern River et déclenche un boom pétrolier dans le comté de Kern.
Les premiers puits de pétrole modernes ont été forés en utilisant un outil à câble qui percutait à plusieurs reprises le sol. À partir du , cette technique, utilisant un outil à câble, a été en grande partie remplacée par le forage rotatif, qui permettait de forer plus profondément et beaucoup plus rapidement. En 1902, un premier appareil de forage rotatif en Californie aurait foré un puits au champ Coalinga, mais le trou est tellement tordu que cette technique est abandonnée pour le retour de l’outil à câble. Cependant, en 1908, des appareils et des équipes de forage rotatifs arrivent de la Louisiane en Californie, où ils forent des puits sur le terrain de Midway-Sunset et éliminent les problèmes de l'expérience Coalinga menée six ans plus tôt et, ainsi, démontrent l’efficacité de cette technique de forage.
Exploitation moderne Jusque dans les années 1970, la plupart des puits de pétrole étaient verticaux, même si ceux-ci n’étaient jamais parfaitement à la verticale à cause des défauts techniques et de l’irrégularité des sols. Cependant, les techniques modernes de forage directionnel permettent de forer des puits déviés et qui peuvent même devenir horizontaux, avec une profondeur suffisante et avec les outils appropriés. Cela a permis d'accroître l’efficacité des puits de pétrole, car les roches réservoirs contenant les hydrocarbures (pétrole, gaz naturel…) sont généralement horizontales ou presque ; de plus, un puits de forage horizontal placé dans une zone de production permet d’exploiter une plus grande surface qu'un puits vertical ; ce qui permet accroître la production. L’apparition du forage dévié et horizontal a également permis d’atteindre des zones situées à plusieurs kilomètres du lieu de forage, permettant ainsi l’exploitation d’hydrocarbures situés en dessous d’endroits où il est difficile de placer un appareil de forage, sensible à l'environnement ou peuplé.
Caractéristiques des puits de pétrole Connaissant le principe de formation du pétrole, les géologues vont d'abord rechercher les zones exploitables tout d'abord dans les bassins sédimentaires.
Systèmes principaux
Études géologiques Des études géologiques et géophysiques menées par des experts permettent de mettre en évidence les emplacements théoriques d’un piège à pétrole, appelés prospects. Des camions-vibreurs se chargent de rechercher le pétrole à l’aide d’ondes sismiques par le principe de la réflexion sismique. vignette|Schéma de réflexion sismique. Celle-ci permet d'analyser les ondes renvoyées afin d’estimer la probabilité de présence de pétrole.
Le forage consiste à percer en profondeur dans le but de révéler la présence d’hydrocarbure.
Forage vertical Il existe plusieurs types de forage : le forage horizontal, incliné et vertical.
Il est important de localiser l’endroit idéal du forage avant d’implanter les installations de forage car celles-ci sont très coûteuses. Dans ce cas là, on utilise la méthode du forage vertical terrestre en positionnant les installations à l’épicentre de la poche d’hydrocarbure.
Principe du forage « Rotary » Afin d'accéder directement à la poche contenant les hydrocarbures, les foreurs vont devoir réaliser un trou de forage. Actuellement, la méthode de forage généralement utilisée est celle du Rotary, bien plus rapide et efficace.
Il faut dans un premier temps mettre en place un derrick de forage, une tour métallique de de haut en moyenne, servant à introduire verticalement les tiges de forage (4). Les tiges contiennent un enchaînement de tubes vissés les uns sur les autres dans lesquels se trouve un outil de forage, appelé le trépan (5) situé au bout.
Le trépan Le trépan est muni de dents ou de pastilles en acier très dur. À la manière d'une perceuse électrique, le trépan attaque la roche en appuyant mais surtout en tournant à grande vitesse : il casse la roche, la broie en petits morceaux, et s'enfonce petit à petit dans le sol. À mesure que l'on s'enfonce dans le sous-sol, on rajoute une tige de forage en la vissant à la précédente et ainsi de suite. L’ensemble des tiges avec son trépan qui creuse au bout s’appelle le train de tiges (1).
Le tubage vignette|Schéma d'un trépan. Afin d’éviter l’effondrement du trou, des cylindres creux en acier sont installés en permanence en même temps que les tiges sur toute la longueur du trou pour constituer un tube ; ces tubes sont vissés les uns aux autres à mesure de la progression du forage : c'est le tubage (3). Ce tubage n'est pas directement réalisé dans la roche nue, mais est retenu par du ciment (2). Plus on pose de tubes, plus le diamètre du trou de forage devient petit : le tubage posé occupe de l’espace et réduit le diamètre initial du trou. Ainsi, un trou de forage d’un diamètre de au départ peut être réduit à après la pose de plusieurs tubages.
Fluide et système de circulation
Fluide Pour éviter que le trou se rebouche au fur et à mesure du forage, il faut enlever les débris de roche et nettoyer le fond du puits. Pour cela, on utilise un fluide de forage aussi appelé boue de forage par son aspect. Ce fluide indispensable au forage a une composition spéciale déterminée par un ingénieur spécialisé, adaptée aux terrains traversés lors du forage.
Circulation du fluide Un circuit fermé permet de recycler la majeure partie de boue utilisée. Elle est mélangée et conservée dans un bassin, acheminée par la colonne d'injection de boue, vers la tête d'injection qui la propulse dans le train de tiges. Elle descend alors jusqu'au fond du puits et « traverse » le trépan grâce à des trous percés dans celui-ci et se retrouve dans les débris. Sous l'effet de la pression, la boue remonte entre les parois du puits et le train de tiges, emportant avec elle les débris arrachés. Une fois à la surface, une conduite d'aspiration attire la boue jusqu'à un tamis vibrant qui sépare les débris de la boue, ensuite renvoyée dans le bassin de décantation. Et ainsi de suite.
Le fluide de forage, en tant que substance dense, exerce une contre-pression hydrostatique sur la formation géologique forée. Il stabilise la pression sur les bords du puits (pour leur éviter de s'écrouler) ; la boue de forage tend à former un gâteau de boue sur les parois du puits, contribuant à les stabiliser et à ce qu'elles ne s'effondrent pas, ce qui serait source d'obstruction du puits. Cette contre-pression s'oppose aussi à la pression naturelle des fluides contenus dans la roche, tels que le pétrole, le gaz et l'eau. En les empêchant de brutalement remonter dans le puits, elle limite le risque d'éruption (à condition que la densité de la boue de forage et la pression d'injection soit ajustée en fonction de la profondeur du puits et de la pression des formations traversées). Ce fluide sert enfin à lubrifier et refroidir les outils de forage.
Depuis les premiers forages et en raison de la raréfaction des gisements proches de la surface, la profondeur des puits tend à augmenter. Dans les années 2000, elle est souvent comprise entre 2000 et . Exceptionnellement, certains forages dépassent les , et l'un d'eux a même dépassé les .
Différents types de récupération
Récupération primaire