La migration des hydrocarbures vers la surface de la Terre

Depuis la roche mère où elles sont nées, les molécules d'hydrocarbures entament un parcours ascendant en se frayant un passage à travers les strates rocheuses. Lorsqu'elles rencontrent des roches creuses laissant circuler les fluides, ces particules de pétrole et de gaz peuvent se regrouper en vastes poches. Parfois, ces grands réservoirs sont fermés par un couvercle de roches imperméables qui entrave la remontée des hydrocarbures vers la surface terrestre. Dans ces conditions, un gisement pétrolier ou gazier peut se former.

La formation d'un gisement
© Keblow

Pétrole et gaz, une lente ascension...

Au sein de la roche mère où ils sont nés, pétrole et gaz méthane sont constitués de molécules hydrocarbures de petite taille.

Ces molécules se sont formées à partir de kérogène, un matériau composé d'eau, de CO₂, de carbone et d'hydrogène, issu de la décomposition de la matière organique.

Les hydrocarbures sont expulsés dans les couches rocheuses qui entourent la roche mère.

Or, dans la roche, les hydrocarbures occupent plus de place que le kérogène. Peu à peu, ils sont donc expulsés dans les couches rocheuses imbibées d'eau qui entourent la roche mère. Plus légers que l'eau contenue dans ces roches, le gaz et l'huile (autre nom du pétrole) ont tendance à monter vers la surface de la Terre en se glissant entre les particules minérales des roches. Ce mouvement lent et continu est nommé migration.

La vitesse de migration des hydrocarbures dépend de la perméabilité de chaque roche qu'ils traversent, c'est-à-dire de sa capacité à laisser circuler les fluides. En outre, les molécules de gaz ont une ascension plus rapide que les molécules de pétrole parce qu'elles sont plus petites et plus mobiles.

Parfois, les molécules hydrocarbures sont freinées dans leur progression par une roche moins perméable. Elles peuvent alors poursuivre leur migration :

   • en pénétrant dans les failles éventuelles de cette roche ;

   • en passant à travers une roche voisine plus perméable.

Il arrive toutefois qu'une partie des hydrocarbures ne puissent poursuivre leur ascension :

   • soit parce qu'ils se dissolvent dans l'eau contenue dans les roches traversées, le gaz ayant davantage tendance à cette dissolution que le pétrole ;

   • soit parce qu'ils restent collés aux grains qui composent ces roches.

Ce phénomène se nomme pertes de migration. Ces pertes peuvent être très importantes, surtout si l'huile et le gaz parcourent un long trajet au cours de leur progression. De ce fait, une certaine part des hydrocarbures issus des roches mères ne pourra jamais faire l'objet d'une exploitation pétrolière.

Les hydrocarbures qui montent jusqu'à la surface
de la Terre sont complètement détruits
lorsqu'ils entrent en contact avec l'atmosphère.

Faux. Quand des hydrocarbures liquides ou gazeux affleurent à la surface terrestre au terme de leur migration, il arrive qu'aucune roche imperméable ne les protège. Ils sont alors soumis à l'action des bactéries et de l'air ambiant. Cela déclenche des réactions chimiques qui les changent en eau et en gaz carbonique. Le plus souvent, ils sont alors dissous dans l'atmosphère.

Toutefois, les molécules hydrocarbures les plus lourdes peuvent persister dans le sol sous forme de bitumes visqueux, presque solides, enfouis à quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur.

La genèse des poches d'hydrocarbures

Si les molécules de pétrole et de gaz ne se perdent pas au cours de leur migration et ne se dissolvent pas dans l'atmosphère, elles peuvent se regrouper au sein de vastes réservoirs d'hydrocarbures. Pour cela, il faut cependant que les roches qu'elles rencontrent sur leur parcours présentent certaines caractéristiques.

Les roches qui voient naître et migrer le pétrole et le gaz sont des roches sédimentaires qui constituent les bassins du même nom. Elles sont formées de grains qui se sont déposés dans l'eau d'une mer, d'un océan, d'un lac ou d'une lagune. Selon la taille des grains qui les composent, ces roches ne présentent pas le même aspect :

   • les grains très grossiers donnent des roches sous forme de graviers ;

   • les grains plus petits s'agglutinent pour donner des sables ;

   • les grains les plus fins composent des boues.

Au cœur des couches rocheuses, les grains sont en contact les uns avec les autres mais des espaces vides subsistent entre eux. Ces espaces définissent la porosité de chaque roche : plus le pourcentage de vide est important au cœur d'une roche, plus celle-ci est poreuse.

Les roches poreuses renferment des interstices qui peuvent contenir des hydrocarbures en grandes quantités. Elles ont souvent une bonne perméabilité, même si l'association de ces deux qualités au sein d'une même roche n'est pas systématique. Ainsi, l'argile est poreuse car composée de particules séparées par des vides importants. Cependant, elle est imperméable car ces particules constituent des feuillets empilés, serrés les uns contre les autres, qui limitent la circulation des fluides.

Les roches combinant porosité et perméabilité intéressent beaucoup les pétroliers : nommées roches réservoirs, elles sont potentiellement remplies de gaz ou de pétrole qui pourront se déplacer rapidement dans la roche lorsqu'on les pompera pour les exploiter.
Les meilleures roches réservoirs sont ainsi :

   • les grès ;

   • les carbonates (calcaires et dolomites).

Enfin, si une roche est sillonnée de fractures et de failles, ses qualités de réservoir sont améliorées : cela facilite encore plus la circulation des hydrocarbures.

Toutefois, la migration des hydrocarbures et leur rencontre avec une roche réservoir ne suffisent pas pour former une poche de pétrole ou de gaz. En effet, si les molécules hydrocarbures ne sont pas stoppées dans leur ascension, elles ne feront que transiter par la roche réservoir et ne pourront pas s'accumuler dans cette roche. Pour former une réserve d'hydrocarbures, il faut donc qu'une roche imperméable fasse office de barrière au-dessus de la roche réservoir : on l'appelle roche couverture. Les meilleures roches couvertures sont les plus imperméables, à savoir :

   • les argiles ;

   • les couches de sel cristallisées.

Cependant, toute roche suffisamment imperméable peut faire office de roche couverture, à l'exemple de certains carbonates très compacts.