Histoire des deux progrès à l’origine du « miracle du pétrole de schiste » : fracturation hydraulique (1958) et forage toutes directions (1963)
La fracturation hydraulique d’une part, et le forage horizontal d’autre part, sont généralement cités comme les deux progrès techniques essentiels ayant permis l’extraordinaire décollage aux États-Unis de la production de pétrole non conventionnel dit "pétrole de schiste" (Light Tight Oil : LTO). La présente publication de documents d'archives éclaire l’histoire de ces techniques, à l’origine d’un bouleversement économique majeur du XXIe siècle. Les extraits des deux articles qui suivent ont été publiés dans la revue trimestrielle Pétrole Progrès (1950 – 1985)[1]éditée par ESSO France (Groupe Exxon).
Le premier article intitulé « Un grain de sable – La fracturation hydraulique des puits de pétrole » évoque les techniques de fracturation hydraulique et leur mise en œuvre en France, à Parentis dans les Landes. Reproduit ci-dessous intégralement, il a été publié dans la revue Pétrole Progrès N°36 de janvier 1958. A ce titre, ce document historique est un correctif au rapport du parlement français de 2013 sur la fracturation hydraulique[2].
Le second article intitulé « Forage toutes directions » évoque les besoins et possibilités techniques d’orientation du forage dans la recherche et l’exploitation d’hydrocarbures. Les extraits qui suivent ont été publiés dans la revue Pétrole Progrès N°59 en octobre 1963. On est encore loin du forage horizontal associé au LTO, mais les premières techniques d’orientation du forage mises en œuvre répondent à un besoin clairement identifié.
Les deux articles témoignent de la précocité des défis techniques et scientifiques auxquels est confrontée l’industrie pétrolière, et de ses choix permanents de rentabilité et d’optimisation pour faire face à des situations géologiques compliquées. Ils montrent que des moyens financiers considérables ont pu préparer de très longue date l’avènement du LTO consécutif à la Grande crise financière de 2008.
Carantec, le 21 août 2020
Michel Lepetit
[1]Je remercie Yvon Portz, sympathique bouquiniste Saint-Politain présent chaque semaine au marché de Carantec, qui m’aide depuis longtemps dans mes diverses recherches documentaires portant sur l’Histoire globale de l’énergie.
[2]Rapport sur les techniques alternatives à la fracturation hydraulique pour l’exploration et l’exploitation des hydrocarbures non conventionnels
« (…) Une technique déjà employée en France (…)D'après les informations recueillies auprès de divers opérateurs, cette technique a été employée depuis le milieu des années 1980 »
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UN GRAIN DE SABLE
La fracturation hydraulique des puits de pétrole
Un puit de pétrole à Parentis (landes) dont les techniciens viennent d’augmenter le débit par une opération de fracturation, une carrière de la Drôme d’où l’on extrait sables et kaolin ; à première vue il y a peu de rapports entre deux exploitations minières de type si différents. Mais les techniques de la production pétrolière ont parfois des exigences inattendues : des millions de grains de sable viennent d’être envoyés au fond du puits, mélangés au liquide de fracturation. En effet, pour maintenir ouvertes les fissures et fractures créées dans la roche-magasin contenant le pétrole par le « coup de bélier » du liquide injecté sous pression, on emploie des grains de sable, jouant le rôle de minuscules « piliers de soutènement » dans les minces galeries où va circuler le pétrole avec un débit accru. Mais on n’utilise pas n’importe quel sable ! Pour la bonne exécution de l’opération, les techniciens exigent du sable aux grains réguliers, rigoureusement triés et calibrés … Dans les gisements de sables kaoliniques du Vercors, ceux d’Hostun-Charpey, par exemple, la Nature a exécuté la première partie du travail. Des torrents ont accumulé les sables au début du Tertiaire et l’action des eaux les a naturellement roulés, polis et triés. Il reste à l’homme, évidemment, le travail de calibrage…
Dans les sables kaoliniques des carrières d’Hostun-Charpey, les eaux ont buriné les colonnes éphémères d’une fantastique falaise.
L’exploitation des carrières d’Hostun fut entreprise autrefois pour en extraire le kaolin, qui y est mêlé au sable, et le traiter pour la faïencerie. Le sable, représentant 85% des matériaux extraits était plus ou moins négligé. Il se révéla plus tard que ce matériau intéressait quantité d’industries. Aujourd’hui, calibrés et répartis en nombreuses catégories de granulations, les grains de sable, depuis ceux de 5 mm jusqu’aux poussières de silice impalpables, ont trouvé de très nombreuses utilisations : humides, tels qu’ils sortent des bacs de décantation, on les emploie comme sables de fonderie, pour le moulage et le noyautage, pour des briques réfractaires, dans les laminoirs, les fours à réchauffer ; pour la fabrication de matériaux électro-réfractaires, de verres électriques, du silicate de soude, de la verrerie ; pour les travaux en ciment, le sciage et le polissage des pierres. Secs, ils servent au décapage, aux métallisations, à la fabrication des meules en grès synthétique (de la meule pour dentiste à la meule-défibreuse de plusieurs tonnes pour papeteries), des filtres à eau et à acide, des isolants, des électrodes électriques ; ils entrent dans la composition de détersifs, produits à décaper, peintures, produits chimiques et agricoles, insecticides, enfin, depuis peu, participent à la « fracturation » des puits de pétrole.
La pelle mécanique attaque la masse friable de ces sables liés et cimentées par le kaolin auquel ils sont naturellement mélangés
Pour obtenir des diverses catégories de sables et silices à partir des matériaux extraits de carrière, il faut d’abord séparer sable et kaolin[1] intimement mélangés. Le mélange arrive de la carrière délayé dans un courant d’eau et la séparation des produits se fait naturellement par décantation, les parties lourdes (sables) se déposant les premières, les particules légères de kaolin étant entraînées par l’eau de lavage et récupérées dans des bassins. Le lavage et le triage des sables et kaolins se fait soit « en parallèle » (traitements séparés), système ancien donnant des produits de qualité moyenne, soit en « série avec décantation continue », tout au long d’une série de « trommels »[2] et de bassins où s’effectue une classification parfaite des grains de silice tandis que le « lait kaolinique » va achever son traitement dans « l’épaississeur », puis dans les filtres-presses et les séchoirs à l’air libre ou à air chaud. Les grains de sables, eux, ont été repris par des vibrateurs électriques pour terminer leur classement granulométrique. C’est ainsi que les sables destinés à la fracturation s’échelonnent de 3 à 8 dixièmes de millimètres[3]. Ils font maintenant partie des innombrables matériaux et outils nécessaires à l’exploitation moderne des gisements de pétrole.
Les sables les plus grossiers ont déjà été séparés. Sables fins et kaolin continuent leur course, dans un courant d’eau qui les entraine. Sur les tamis vibrants, les grains de sable sont triés suivant leur diamètre. Les parcelles de kaolin restantes s’échappent au fur et à mesure des tamis.
Comme le « torpillage » et l’acidification [4] auxquelles elle est parfois associée, la fracturation hydraulique des couches productrices dans un puits de pétrole est une méthode destinée à augmenter la production quand la roche imprégnée n’est pas assez perméable pour laisser s’écouler son pétrole avec un débit suffisant. Il s’agit d’élargir et de provoquer dans la roche des fractures horizontales et verticales dans un certain rayon autour du puits. Pour cela, on injecte sous forte pression (jusqu’à 800 kg/cm2 pour 4000 m de profondeur) dans un puit un liquide épais qui, pénétrant d’abord par des fissures déjà existantes ou provoquées par torpillage, va faire éclater la roche de proche en proche. Le liquide employé doit être visqueux pour créer au fond la perte de charge nécessaire à l’obtention d’une « pression d’éclatement » de la roche. On utilise communément soit un « gel » à base d’hydrocarbures,[5] soit une émulsion, sorte de « mayonnaise » d’acide chlorhydrique, de kérosène et de gomme (quand la roche est calcaire et que l’on combine ainsi acidification et fracturation), soit tout simplement du pétrole brut. Qu’il s’agisse d’un gel ou d’une émulsion, il est indispensable que le liquide utilisé perde son caractère visqueux après un certain délai, afin qu’il puisse « libérer » le terrain fracturé et que le pétrole du gisement s’écoule alors sans encombre. Les gels seront ainsi décomposés par l’introduction d’un « briseur de gel », souvent une petite quantité d’eau qui agira « à retardement », tandis que les émulsions acides doivent se rompre d’elles-mêmes lors de la neutralisation de l’acide par le calcaire de la formation.
La « fusée de fracturation »
Il est évidemment indispensable que les fractures créées ne se referment pas sous la pression inévitable des terrains qui surmontent la formation pétrolifère. C’est là qu’intervient le sable, mélangé au liquide de la fracturation à raison de 25 à 350 gr. Par litre. Les grains de sable, soigneusement triés et calibrés, vont faire l’office du boisage dans les galeries de mine en soutenant le « toit » de la fracture et en empêchant celle-ci de se refermer. En général, une seule fracture est réalisée par opération, ce qui est suffisant pour une hauteur de couche productrice de 15 m environ. S’il faut fracturer sur une plus grande hauteur, on peut isoler les parties à fracturer successivement au moyen d’un « bouchon » (packer) ou bien on peut mélanger au gel de fracturation un corps qui bouche chaque fracture dès sa formation et qui se dissout ensuite dans le pétrole lors de la mise en production. Le plus souvent, on utilise comme agent … des boules de naphtaline concassées.
La fracturation hydraulique
La création de fissures par fracturation peut être précédé d’un « torpillage » au moyen de charges creuses. Des montages de charges creuses tirant par groupe dans un plan horizontal préparent ainsi des zones de moindre résistance dans la roche à faire éclater. Les ressources de la pyrotechnie sont également employées depuis peu pour envoyer sous très forte pression le fluide fracturateur. Il s’agit d’une véritable fusée, brûlant le même mélange qui est utilisé dans les projectiles stratosphériques et qui comprime avec une énorme puissance le liquide de fracturation envoyé au fond du puits (voir le schéma ci-contre).
Les procédés de fracturation hydraulique ne peuvent être utilisés dans toutes les formations. Des essais préalables permettent de se rendre compte de l’aptitude des couches à se fracturer. Dans des roches-magasin bien imprégnées de pétrole, mais où la perméabilité était trop faible pour permettre à ce pétrole de s’écouler suffisamment, les méthodes de fracturation ont souvent permis des augmentations spectaculaires de la production.
[1]Le kaolin, outre ses utilisations dans la faïencerie et les produits céramiques a, sous forme de poudres micronisées, de nombreuses utilisations comme « charges » (insecticides, détergents, papier, encres, caoutchouc synthétique, matières plastiques, peintures, produits de beauté, etc.) ou comme agent filtrant (lubrifiant).
[2]Tambours tournants.
[3]Les sables pour la fracturation provenaient généralement de la région du Lac Ontario. Les sables préparés à Hostun sont maintenant expédiés jusqu’aux États-Unis
[4]Voir Pétrole-Progrès n°26 pages 30 et 32
[5]Ce gel est obtenu avec du kérosène ou du gas oil épaissi au moyen d’un savon d’acides gras. On a d’abord utilisé comme savon le mélange de naphtaline et de palmitate d’aluminium connu sous le nom de « napalm », produit que l’Armée américaine vendit comme surplus après 1945. On a ensuite fabriqué un savon spécial, de qualité plus constante et mieux adapté à cet usage.
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FORAGE TOUTES DIRECTIONS
Couverture du magazine Pétrole Progrès N°59 – Octobre 1963
Depuis que le téléguidage a conquis l’espace interplanétaire, et même le rayon des jouets, il n’étonne plus guère les hommes, quelle que soit leur génération. Mais quand on regarde un « derrick » de forage, solidement vertical sur le sol, on n’imagine mal que le trépan puisse être en train d’attaquer quelque roche souterraine à plusieurs centaines de mètres d’écart. Si l’on assiste à une opération de remontée et que l’on compte les tiges, on comprend, lorsque le trépan apparaît, que c’est bien dans les profondeurs du sous-sol qu’il vient d’user ses dents. Mais on se représente plutôt un trou vertical, descendant juste à l’aplomb du moufle du derrick. Et cette idée se trouve renforcée par l’apparence rigide des tiges de forage, fortement vissées l’une à l’autre. L’ensemble n’évoque vraiment pas le « flexible » que l’on pourrait croire seul capable de guider et d’actionner un outil suivant une trajectoire inclinée. Il est vrai que le forage vertical est le plus fréquent ; c’est celui où l’on implante le derrick juste au-dessus de l’objectif fixé par les géologues. On comprend aisément l’intérêt du trou vertical. D’abord il offre la meilleure garantie que la « cible », c’est-à-dire la couche productrice de pétrole, sera bien atteinte ; car il ne faut pas oublier l’influence de la distance sur le déplacement final ; une inclinaison de 10 degrés conduit à un déport de 174 mètres sur 1000 mètres de profondeur.
(…)
Les différents cas de déviation intentionnelle
En quelles circonstances est-on conduit à s’écarter intentionnellement de la verticale ? Tout d’abord, évidemment, lorsqu’il est impossible d’implanter le derrick à la verticale de l’objectif fixé par les géologues. (…)
L’espacement des puits entre eux étant une notion importante dans l’art d’exploiter un gisement, la technique de la déviation dirigée permet encore de forer, à partir de la même plate-forme, qu’elle soit terrestre ou marine, un nombre relativement considérable de puits, jusqu’à vingt, et même vingt-cinq. Il est ainsi possible d’étendre la zone explorée dans le sous-sol sur une superficie de plusieurs kilomètres carrés alors qu’au jour le derrick ne se déplace que sur une surface s’exprimant en mètres carrés. (…)
Vue idéale d’un chantier d’exploration pétrolière par forages déviés – (carroyage kilométrique ; profondeur : env. 3000 m). – Dessin de Tanguy de Rémur
Les différents cas de déviation intentionnelle
L’orientation
