vignette|Pompe d'un puits pétrolier présentée sur un campus universitaire du Natal (Brésil).
L'industrie pétrolière traite de la chaîne industrielle du pétrole et du gaz de pétrole, du gisement jusqu'au consommateur.
Historique
Prospection Pour avoir du pétrole, il faut d'abord prospecter, c’est-à-dire rechercher les endroits où la nature du sous-sol permet de « piéger » l'or noir.
Sans obéir à des lois physiques bien précises, l'existence de gisements de pétrole dans un endroit est fonction de deux critères élémentaires : les hydrocarbures (pétrole) doivent s'être formés dans des terrains propices que l'on qualifie de roche-mère ; ces terrains correspondent nécessairement à certains sédiments contenant des matières organiques dont l'évolution physico-chimique conduit à la formation des hydrocarbures ; leur maturation se fait sur des périodes extrêmement longues (des millions d'années), les conditions de formation de ces hydrocarbures ayant existé à plusieurs époques de l'évolution du globe terrestre.
Cependant, certaines époques géologiques ont donné lieu, dans certaines zones, à des productions de matières organiques plus abondantes, et finalement, à des évolutions physico-chimiques plus élaborées que dans d'autres secteurs ; la répartition des hydrocarbures dans les bassins sédimentaires est donc très hétérogène.
Pour qu'il y ait ensuite gisement de pétrole, il faut que les hydrocarbures aient été, après leur formation, migrés, puis « piégés » dans des « réservoirs ».
On appelle « réservoir » un espace étanche en haut, bordé par de l'argile ou par des roches imperméables, plus ou moins grand dans lequel il y a une roche poreuse. Cette roche est imprégnée de gaz et/ou de liquide (pétrole) et/ou d'eau.
Formés en milieux marins dans la plupart des cas, les hydrocarbures sont toujours contenus dans des roches-mères imprégnées d'eau; d'où une pression hydrostatique les refoulant vers le haut (les hydrocarbures sont plus légers que l'eau). Si au cours de cette migration vers le haut, ces hydrocarbures rencontrent, sur le chemin, une zone de roches imperméables, leur migration s'en trouvera stoppée. Un gisement de pétrole est donc constitué d'un réservoir à toit imperméable.
La qualité du réservoir est caractérisée par sa porosité (plus la roche est poreuse, plus le volume du fluide contenu est grand) et sa perméabilité (capacité des fluides à se déplacer dans la roche).
La prospection de pétrole consiste à étudier la géologie pétrolière ; cette dernière est l'ensemble des techniques permettant de prévoir l'emplacement des gisements pétrolifères ; elle se devise en deux branches : l'étude géologique proprement dite, s'intéressant à la formation des gisements et autres caractéristiques des roches en tant que réservoirs (ou couvertures) ; l'étude des structures internes tendant à définir l'existence des « pièges » à partir des méthodes de surface ; c'est la géophysique que pratiquent des équipes parcourant les terrains à prospecter (à explorer) et dessinant des cartes structurales. Les moyens les plus sophistiqués sont mis en œuvre, la prospection étant affinée par un maillage sismique. Ce maillage sismique consiste à obtenir des informations précises sur la profondeur et la disposition des formations pétrolifères à l'aide de mesures soit par réflexion soit par réfraction d'ondes de choc émises.
Sur terre, la génération des ondes se fait soit à l'aide d'explosifs, soit avec des camions vibrateurs. Les données sont enregistrées à l'aide de sismographes.
En mer, un bateau remorque un dispositif de génération des ondes à air comprimé (canon) ainsi qu'un réseau de capteurs de pression (hydrophones) répartis en lignes (streamers) pouvant atteindre de long. Il s'agit de la sismique marine. En mer, cette technique acoustique est complétée par une technique électromagnétique qui permet de déceler la présence ou non d'hydrocarbures dans le piègeStéphane Sainson, Electrographies de fond de mer. Une révolution dans la prospection pétrolière, Cachan. Ed. Lavoisier 2012.
L'ensemble des techniques ci-dessus aboutit au « prospect », c’est-à-dire au gisement « putatif » qu'il faut finalement vérifier sur le terrain par forage.
Géophysique : composition des terrains, utilisation de la sismique et des explosions contrôlées, échantillonnage par carottage
Forage thumb|Une plate-forme offshore. thumb|Tête de forage.
Le forage est la clé de toute prospection pétrolière. Cette étape représente le principal et l'essentiel du coût total d'une installation(environ les 2/3). Ce coût dépend bien entendu de la localisation et de la profondeur du terrain. L'exploration offshore (en mer) coûte bien plus (plusieurs fois) que la prospection sur la terre ferme.
Malgré les progrès des méthodes d'explorations géologiques, la découverte, surtout de gros gisements, reste un événement rare. Dans le monde, on compte en moyenne une découverte pour dix forages effectués ; mais il faut cent forages pour découvrir un gisement de dix millions de tonnes par an.
En matière d'exploration, l'économie est dominée par l'aspect aléatoire de la découverte qui exige d'établir au préalable des relations de choix sous forme probabiliste. Les techniques économiques à appliquer sont au demeurant fort simples, une fois cette « probabilisation » des « données » comprise et acceptée.
L'extraction du pétrole nécessite un puits de pétrole ; étant composé d'un appareil de forage, il est constitué d'un mât (mast en anglais) ou une tour de forage (derrick en anglais) servant à descendre le train de tiges de forage, au bout desquelles se trouve un outil de forage (bit en anglais). Le train de tiges de forage est constitué d'un ensemble de tubes vissés les uns au bout des autres, au fur et à mesure de sa descente au fond du puits. Le trépan découpe la roche au fond du puits, à la tête du forage. Un fluide, la « boue » (mud en anglais), mélange à base d'eau, d'argile (bentonite), de polymères, et d'autres produits généralement neutres à l'environnement, est injecté dans le puits par l'intérieur des tiges, remonte dans l'espace annulaire entre bord du trou et des tiges pour contenir les bords du puits et remonter les déblais de forage (cuttings en anglais). D'autres outils sont également disponibles utilisant des fraises garnies de dents en diamant synthétique. Composition du train de forage conventionnel (drilling string) : dans l'ordre de descente à l'avancement dans le puits : outil de forage + masse tiges (drill collars) + tiges lourdes (heavy pipes) + tiges de forages (drilling pipes) connecté au jour, soit à une tête de rotation (powered swivel), soit à une tête d'injection (swivel) qui justifie l'utilisation d'une tige carrée de rotation (kelly) entrainée par une table de rotation (rotary table) posée sur la plateforme de forage.
Un forage peut se situer à terre (onshore) ou mer (offshore), il se trouve alors sur une plate-forme pétrolière (voir l'article spécifique sur la conception, la construction, l'acheminement, le montage et la mise en exploitation des plates-formes).
En principe, l'exploration-production en mer n'introduit pas de différences fondamentales avec les opérations terrestres. Pourtant, si la facilité du mouvement rend la « sismique marine » très bon marché, le forage au contraire, qu'il soit opéré à l'aide des bateaux, de plates-formes fixes ou mobiles, coûte plusieurs fois (3 à 4 fois) le prix du plus cher des forages à terre.
Même si l'on veut ignorer le problème pécuniaire, le forage en eau profonde se heurte aux limites actuelles de la technique qui grâce à l'invention des robots peut faire des progrès dans le futur.
Les techniques modernes de forages permettent de forer en déviation à partir d'un seul point, cela limite les dimensions des installations de surface en concentrant les puits (limite la déforestation ou la taille des plates-formes offshore). Les puits peuvent simplement être déviés ou réellement horizontaux voire en U (U-shape). Optimisant ainsi la surface d'échange entre le puits et la roche réservoir, les puits horizontaux peuvent avoir des productivités cinq à dix fois supérieures aux puits verticaux.
Tout forage se fait en plusieurs étapes.300px|droite
Un premier trou de large diamètre 30" (~) depuis la surface jusqu'à quelques dizaines de mètres pour stabiliser le sol de départ, ce premier trou sera consolidé par un tubage (casing) de 26" et cimenté pour assurer la cohésion entre le terrain et le tube (tubage conducteur). Ce tube servira de guide pour le trépan suivant de diamètre 20" (~), qui ira plus profond, sera à son tour tubé puis cimenté (tube de surface). Suivant la profondeur à atteindre jusqu'à cinq trous de diamètres de plus en plus petits peuvent être forés. Cette technique permet d'isoler les zones et donc se prévenir toute contamination, par les nappes phréatiques de surface par exemple. Souvent, le dernier trou est foré en diamètre 8,5" (~), mais peut aussi être plus petit. Pour évaluer le potentiel du forage, les déblais de forage sont analysés en continu.
Dans ce trou, non encore tubé, des outils sont descendus au bout de câbles électriques, pour permettre d'évaluer les possibilités des roches rencontrées : cela s'appelle des diagraphies électriques (wireline logging). Les informations recueillies permettent : de recaler les données sismiques (en temps) par rapport à des données de profondeur (en mètres) ; d'évaluer la hauteur de zone productive ; d'évaluer sa porosité.
Il est aussi possible de prendre des carottes de terrain lors du forage par un trépan spécial. Cette possibilité existe aussi au bout du câble électrique pour des carottes latérales, ou grâce à des outils spéciaux pour récupérer du fluide là où on le veut. Si le puits est considéré comme valable pour la production, il reçoit un dernier tubage, dans notre cas 7" (18~cm) cimenté sur place. Puis on descend au bout du câble électrique un canon contenant des explosifs sur le principe de la charge creuse en face de la zone de production prévue et l'on perfore le tubage et le ciment pour mettre en relation la roche-mère et le puits.
Voir aussi : technicien des fluides de forage (boueux) ; technicien de surveillance de forages (Mud logger) ; Schlumberger (« wireline logging company »).
Extraction thumb|Groupe de puits de pétrole en Roumanie au début du .
Évaluation Récupération primaire Un gisement pétrolier est en équilibre à la pression de fond, qui peut atteindre plusieurs centaines de bars ; au début de la vie du puits, le pétrole parvient spontanément à la surface, propulsé par plusieurs facteurs qui peuvent éventuellement se cumuler, mais qui faiblissent rapidement ; cette période est appelée « récupération primaire », et ne permet d'obtenir, selon les cas, que 5 à 40 % du pétrole en place. Un puits en cours de récupération primaire ne nécessite plus aucun équipement de surface, si ce n'est le fameux « arbre de Noël », ensemble de vannes surmontant le puits, et permettant essentiellement de fermer le puits en surface, ainsi que le séparateur (voir ci-dessous) et la torchère si nécessaire. Les autres modes de récupération, secondaire et tertiaire, sont appelés « récupération assistée ».
Traitement des fluides Les fluides qui parviennent en surface comportent fréquemment, en plus du pétrole : de l'eau, qu'il s'agisse d'eau de gisement, ou d'eau injectée (eau produite, voir ci-dessous) ; du gaz.