Sable bitumeux

Un sable bitumineux (ou bitumeux) est un mélange de bitume brut, qui est une forme semi-solide de pétrole brut, de sable, d'argile minérale et de l'eau. En d’autres mots, c’est un sable enrobé d’une couche d’eau sur laquelle se dépose la pellicule de bitume. Plus la pellicule de bitume est épaisse, meilleurs sont les sables bitumineux en termes de quantité de pétrole extractible. Après extraction et transformation des sables bitumineux, on obtient le bitume, qui est un mélange d’hydrocarbures sous forme solide, ou liquide dense, épais et visqueux. Les gisements de sable bitumineux représentent une importante source de pétrole brut de synthèse, ou non conventionnelle, se trouvent notamment en Alberta (Canada) et dans le bassin du fleuve d'Orénoque, au Venezuela. De plus petits gisements de sables bitumineux existent dans d'autres endroits du monde.

Sommaire 1 Description 2 Répartitions 3 Techniques d'exploitation 3.1 Extraction minière 3.2 Extraction in situ 3.3 Transformation commerciale 4 Impact environnemental 5 Aspect analytique 6 Histoire de l'exploitation en Alberta 7 Notes et références 8 Voir aussi 8.1 Articles connexes 8.2 Liens externes

Description

Ces formations à faible profondeur (parfois quasiment à l'affleurement) contiennent de 80 à 85 % de matières minérales (silice et argile), de 10 à 12 % de bitume naturel et 5 % d'eau. Ce bitume n'est pas à proprement parler du pétrole, car il est au moins cent fois plus visqueux et nettement plus dense.

Le pétrole conventionnel est constitué de composés légers, tels que le gaz, l’essence, le kérosène et les gaz huileux. Il est également constitué de composés lourds, tels que les huiles de graissage, les fuels lourds et le bitume. Ces composés possèdent de 3 à 300 atomes de carbones et des points d’ébullitions allant de -10 à 525°C.

L'origine du bitume est incertaine. Il est beaucoup trop visqueux pour avoir migré dans son état actuel. On pense donc qu'il s'agissait, à l'origine, de pétrole conventionnel qui, après avoir migré dans des réservoirs trop peu profonds pour l'isoler du monde extérieur, a été dégradé, perdant ainsi ses composés les plus légers par évaporation, par agression bactérienne et par « lavage » à l'eau. Cette explication ne fait cependant pas l'unanimité.

Le bitume ressemble quelque peu au fioul résiduel issu de la distillation du brut conventionnel : il ne contient quasiment pas d'alcanes courts mais beaucoup d'hydrocarbures complexes, polycycliques par exemple.

Répartitions

Les réserves sont fortement concentrées dans deux provinces géologiques.

C’est au nord de l’Alberta que les principaux gisements de sables bitumineux se trouvent. À l’ouest, dans la région partiellement francophone de Rivière-la-Paix (Peace River), au sud, Cold Lake et au nord, près de la rivière de l’Athabasca, plus précisément au Fort McMurray. Près de 20 entreprises sont situées en Alberta, dont les deux plus importantes : Syncrude et Suncor. De plus, pour comparer à égalité ce bitume avec des réserves de pétrole conventionnel, il faut déduire l'énergie nécessaire à son extraction et sa transformation.
En 2003, le Canada s'est soudain vu propulsé à la deuxième place des pays producteurs de pétrole, juste derrière l'Arabie Saoudite.

Au Vénézuela, la "ceinture" de l'Orénoque, probablement la plus grande accumulation contiguë d'hydrocarbures au monde, contient à peu près le même volume. Aussi dense mais plus liquide que le bitume des gisements canadiens, il est souvent classé comme brut extra-lourd et non comme sables bitumineux.

Les réserves existant ailleurs dans le monde sont beaucoup plus petites. Il existe un vaste gisement en Sibérie Orientale, dans la région de l'Olenek, mais pratiquement aucune information n'est disponible à son sujet. Il se situe sur la côte arctique, le climat extrême et l'isolement expliquent que son exploitation ne soit pas envisagée pour le moment. La Russie possède d'autres dépots de sables bitumineux dans la région Volga-Oural (Tatarstan et régions voisines), moins vastes que ceux de l'Olenek mais moins difficile d'accès.

Des réserves de petite taille existent dans au moins une cinquantaine de pays.

Techniques d'exploitation

Dès 1742, dans la région de Pechelbronn en Alsace, des tarières étaient destinées à localiser les filons de sable bitumineux. L'huile était séparée du sable par lessivage à l'eau bouillante, puis distillée pour obtenir des produits pharmaceutiques, de l'huile pour lampe, de la graisse et de la poix^[1]. C’est en 1778 que Peter Pond a localisé les premières sources de bitume dans la région d’Athabasca, mais c’est Robert Fitzsimmons, un entrepreneur, qui est le premier à avoir séparé le bitume du sable et qui l’a utilisé pour recouvrir les routes et les toitures. Si les Amérindiens ont depuis des siècles utilisé ce bitume pour calfater des embarcations, les sables bitumineux n'ont vraiment attiré l'attention de l'industrie pétrolière qu'après les chocs pétroliers.

Trois étapes sont importantes pour obtenir le bitume. La première étape consiste à l’exploitation des sables bitumineux. Cette étape peut se faire soit par extraction minière, soit par extraction in situ. La seconde étape consiste à l’extraction du bitume des sables bitumineux, qui se fait surtout par le procédé à l’eau chaude. Puisque le bitume n’est pas du pétrole conventionnel, il faut donc le transformer. La troisième étape est donc la transformation du bitume, qui se fait de différentes façons.

Extraction minière

Les réserves de pétrole de l’Athabasca représentent plus de 300 milliards de barils. Le sable contient en moyenne 11,5% de bitume. Il faut donc exploiter une quantité gigantesque de sables bitumineux, afin d’obtenir une quantité élevée de bitume. En effet, la récupération de deux tonnes de sables bitumineux permet d’obtenir un seul baril de bitume. L’exploitation des sables bitumineux se fait donc en creusant des trous dans le sol et ce, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, hiver comme été. Un grand problème est observé lors de l’exploitation minière des sables bitumineux. Puisque les sables bitumineux sont situés en grande profondeur sous le sol, il faut tout d’abord raser toute la forêt boréale pour enlever le terreau de surface et le mettre de côté. Par la suite, on creuse le mort terrain, qui est à une profondeur de 50 mètres environ. Le mort terrain est enlevé, jusqu’à atteinte des sables bitumineux qu’on extrait de mines à ciel ouvert. Tout ce procédé est effectué à l’aide de camions de 365 tonnes et des grues colossales, dont les pelletées font 100 tonnes.

Comme pour l'exploitation des autres ressources minérales à ciel ouvert, l'opérateur doit remettre en état les terrains après l'exploitation.

Le sable est par la suite transporté aux différentes usines d’extraction du bitume. L’extraction du bitume se fait par le procédé à l’eau chaude, mis au point par Karl Clark en 1929. Ce procédé consiste à placer le sable bitumineux dans d’énormes tambours rotatifs et à le mélanger avec de l’eau chaude et de la vapeur. Le bitume se sépare du sable et se lie aux bulles d’air. Le tout est tamisé et déposé dans des contenants de formes coniques permettant la séparation. Le bitume lié à l’air est récolté sous forme de mousse, contenant 65% de pétrole, 25% d’eau et 10% de solides. Après avoir mélangé le tout à l’aide de grosses centrifugeuses, trois couches sont observées. Les grosses particules de sables se déposent au fond, qui sont pompés vers une décharge et utilisés dans la construction des digues. La couche intermédiaire est constituée d’un mélange d’eau, de petites particules de bitumes et quelques minéraux, qu’on appelle mixtes. Cette eau intermédiaire est retirée et pompée afin de les réutiliser dans le processus d’extraction. Enfin, le bitume flotte à la surface, ce qui permet de le récupérer avec un pourcentage de 88 à 95%.

Extraction in situ

La nouvelle technologie in situ est utilisée pour contrer les différents problèmes environnementaux. L’extraction in situ permet la séparation du bitume et du sable dans le même réservoir. Cette dernière consiste en des puits horizontaux, qui sont creusés dans le sol et qui permettent d’injecter de la vapeur d’eau à faible pression. Suite à cette injection, la température du bitume augmente, entraînant une diminution de sa viscosité. Ainsi, le bitume se ramollit et est facilement pompé. L’extraction in situ peut se faire selon deux procédés différents, soit par Cyclic Steam Simulation (CSS) ou par Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD).

La première solution fut le procédé CSS (Cyclic Steam Simulation). Il consiste à utiliser un même puits alternativement en injection de vapeur et extraction de bitume. La vapeur liquéfie le bitume et rend le pompage possible. Par rapport à l'extraction minière, on ne dérange qu'une toute petite surface au sol, et les nuisances générales (bruit par exemple) sont bien moindres. Cependant la consommation d'énergie pour produire la vapeur est énorme.

La technique SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage), qui n'a pas encore atteint sa phase de maturité, utilise des puits horizontaux associés deux à deux. Le puits du dessus injecte en permanence de la vapeur tandis que celui du dessous recueille eau et bitume. Contrairement au procédé CSS, la quantité de vapeur à injecter pour une production de bitume donnée est moindre, ce qui améliore le bilan énergétique, mais cette solution ne peut pas s'appliquer partout : il faut une bonne homogénéité verticale du réservoir pour que l'écoulement s'établisse.

L’extraction in situ se fait de plus en plus depuis l’an 2000. Le bitume récupéré in situ en 2000 représentait 40 000 m³, tandis qu’en 2006, le bitume récupéré par cette technique atteignait les 75 000 m³. Aujourd’hui, un peu plus de 12% du bitume est récupéré par l’extraction in situ et d’années en années, cette proportion augmentera. Les désavantages reliés à cette méthode d’extraction reposent sur le fait qu’elle est très coûteuse et qu’aucun impact environnemental n’est connu pour l’instant.

Transformation commerciale

Qu'il provienne d'extraction minière ou in situ, le bitume n'est pas directement commercialisable sur le marché pétrolier, notamment parce qu'il est trop visqueux pour être transporté par canalisation. Deux méthodes sont possibles pour rendre le bitume vendable. La plus simple est de le mélanger avec environ 30% d'hydrocarbures légers (condensats de gaz naturel ou naphta), qui viennent en quelque sorte remplacer les hydrocarbures courts qu'il manque à cette forme de pétrole. Cette pratique bute néanmoins sur le coût du diluant, et le Canada serait rapidement en pénurie de condensats s'il voulait utiliser des millions de barils/jour de bitume de cette façon.

La seconde méthode, qui est plus complexe, consiste à convertir le bitume en syncrude, une marque de pétrole commercialisé. Comparativement au pétrole brut conventionnel, le bitume est composé de beaucoup trop de carbone, mais pas assez d’hydrogène. Il faut donc transformer chimiquement le bitume, pour obtenir un mélange d'hydrocarbures proche d'un pétrole brut de bonne qualité. Les techniques s'apparentent à celles employées pour améliorer les fiouls résiduels des raffineries. Ceci implique donc trois étapes. Tout d’abord, la cokéfaction consiste à extraire le carbone par procédé thermique. À l’aide de grosses fournaises, appelées coqueurs, le bitume est chauffé à 468-498°C, ce qui entraîne le craquage des fractions lourdes, produisant ainsi des fractions plus légères telles que l’essence, les gaz combustibles et le coke de pétrole. Cette étape peut aussi se faire à l’aide d’un solvant (désasphaltage) ou autres produits chimiques. Le désasphaltage repose sur le principe de la déstabilisation du bitume en présence de solvants, tel que le propane ou d’autres hydrocarbures légers. Les composés lourds et les composés légers se séparent selon leur différence de solubilité vis-à-vis le solvant utilisé, sans que leur structure chimique soit dégradée.

La deuxième étape de la transformation, l’hydrocraquage, consiste à ajouter de l’hydrogène, afin d’obtenir des distillats de meilleure qualité. L’hydrocraquage permet d’augmenter la production des liquides et de réduire les niveaux d’émission de dioxyde de soufre. Le principal inconvénient de l’hydrocraquage repose sur le fait que l’hydrogène doit nécessairement provenir du gaz naturel, ce qui va augmenter les émissions de gaz à effet de serre. De plus, cette étape nécessite beaucoup d’énergie.

Enfin, la dernière étape, qui est l’hydrotraitement, repose sur le retrait de molécules de soufre, d’azote et d’oxygène, permettant l’amélioration des caractéristiques moléculaires des hydrocarbures. Le résultat est un syncrude léger et pauvre en soufre, qui, à l'inverse d'un mélange naphta-bitume, peut être utilisé par n'importe quelle raffinerie. L’hydrotraitement nécessite des installations d’usines qui sont très coûteuses, permettant la fabrication d’hydrogène, le lavage de gaz sulfureux et la récupération du soufre.

Impact environnemental

L'extraction minière des sables bitumineux a un impact important sur les écosystèmes. En Alberta, cette forme d'extraction détruit complètement, dès l'ouverture de la mine à ciel ouvert, la forêt boréale, et a des conséquences directes sur l’air. Des centaines de km² de territoires sont dévastés. Il faut cependant relativiser : la forêt boréale canadienne couvre 5 millions de km² dont les trois quarts restent totalement vierges. Les mines de sables bitumineux ont jusqu'ici converti un peu plus de 420 km² - soit 0,01 % de la superficie totale de la forêt - en poussière, en terre nue et en bassins de décantation. Le dévellopement de l'extraction des sables bitumineux pourrait toutefois affecter une zone bien plus large. L'exploitation sylvicole et minière fragmente la forêt à grande vitesse. La vie de la forêt boréale provient du sol, qui est composé d’ingrédients biologiques essentiels. En rasant la forêt boréale et en détruisant le sol, il y a destruction de ces ingrédients biologiques essentiels à la vie de la forêt boréale. L'industrie minière considère que la forêt boréale reprendra sa place sur les terrains restaurés après la période d'extraction, mais aucun terrain n'est considéré « restauré » quelque trente ans après l'ouverture de la première mine dans la région du Fort McMurray en Alberta.

De plus, l’extraction des sables bitumineux dégage des agents polluants, tel que le méthane. Aussi, la forêt boréale est composée de tourbières, qui sont des réservoirs naturels de dioxyde de carbone. En détruisant la forêt, on détruit ces tourbières, ce qui engendre une augmentation des émissions de gaz à effet de serre.

De plus, l'extraction d'un seul baril de pétrole des sables bitumineux de l'Alberta génère plus de 80 kg de gaz à effet de serre (GES). L’exploitation des sables bitumineux génère des gaz très nocifs, tel que l’anhydride sulfureux, qui est responsable, même à des quantités très faibles, de l’acidification des lacs et des forêts. En 2003, l’Alberta a été nommée la capitale de la pollution atmosphérique du Canada avec une génération de plus d’un milliard de kilogrammes d’émissions de gaz à effet de serre. En produisant un baril de pétrole extrait des sables bitumineux, on génère trois fois plus d’émissions de gaz à effet de serre que la production d’un baril de pétrole classique. Aujourd’hui, la compagnie d’exploitation des sables bitumineux Suncor rejette 600 tonnes de gaz naturel à l’heure.

La croissance prévue de la production du pétrole synthétique albertain menace aussi les engagements internationaux du Canada. En ratifiant le Protocole de Kyoto, le Canada s'est engagé à réduire, d'ici 2012, ses émissions de GES de 6 pourcent par rapport à l'année de référence (1990). Au lieu de la diminution des GES, une augmentation de 145 mégatonnes des émissions de GES sera observée, dont le quart proviendrait de l’exploitation des sables bitumineux. En 2002, ses émissions étaient supérieures de 24 pourcent à l'année de référence.

L’extraction du bitume des sables bitumineux a des conséquences directes sur l’eau et l’air. Une grande quantité d’eau est requise pour le procédé à l’eau chaude, soit de 2 à 5 barils d’eau douce pour produire un seul baril de pétrole. Il faut donc puiser cette eau dans les grands cours d’eau, ce qui va entraîner un assèchement des sols et une baisse de la nappe phréatique. L’eau usée, qui est un mélange très toxique, est rejetée dans les bassins situés près de la rivière Athabaska. La pêche, étant la source de subsistance de la communauté, est donc impossible à pratiquer, puisque l’eau de la rivière est trop polluée. Aussi, cette eau à des conséquences néfastes pour les animaux. Il faut donc empêcher les animaux de s’approcher de la rivière. Aussi, l’eau usée peut être utilisée pour la réhabilitation du territoire, qui a été perturbé. Cependant, cette eau est très polluée, puisqu’elle contient plus de 250 ingrédients différents toxiques, tel que le méthane, le xylène, le benzène, le mercure, l’arsenic et d’autres hydrocarbures. Avec le temps, il y a une bioaccumulation de ces produits chimiques, mais la concentration n’est pas connue. La toxicité s’amplifie donc, puisque la plupart des produits chimiques ne disparaissent pas et ne se dégradent pas biologiquement.

Enfin, le chauffage des sables bitumineux, en but d’extraire le bitume, nécessite beaucoup de gaz naturel, ce qui va augmenter les émissions de gaz à effet de serre. Il y a 10 ans, 16 millions de tonnes de gaz à effet de serre étaient rejetés lors du chauffage des sables bitumineux et dans 10 ans, ce sera 65 millions de tonnes de gaz à effet de serre, qui proviendront de la même source. De plus, une odeur désagréable rend les gens malades et cette pollution de l’air est entraînée vers les provinces de l’Est du pays, causant ainsi des pluies acides.

Plusieurs solutions sont à l’étude et en cours pour contrer ces inconvénients environnementaux. Les compagnies d’exploitation des sables bitumineux ont trois objectifs à atteindre, soit l’amélioration de la récupération de l’eau, la réduction de l’utilisation de chaleur et d’eau et enfin, la diminution et l’élimination des bassins à résidus. Plusieurs solutions sont à l’étude, telles que l’extraction du bitume par le chauffage, par l’injection de solvants ou de produits chimiques, par boulettage et tamis oléophiles. Cependant, les avantages et les inconvénients à long terme ne sont pas encore connus. Il est donc impossible d’utiliser ces méthodes. Des cheminées sont actuellement mises au point, pour permettre de réduire les émissions de dioxyde de sulfure d’environ 90%. Par contre, l’augmentation de la production de pétrole va éliminer cette diminution des émissions de dioxyde de soufre. L’extraction in situ est aussi utilisée.

Malgré les conséquences de l’exploitation des sables bitumineux, l’augmentation de la production du bitume a des avantages économiques. Même si le gouvernement canadien investira plus de 25 milliards CAD d’ici 2020 pour l’exploitation des sables, il devrait recevoir en retour plus de 100 milliards CAD. Suite à ces investissements, plus de 44 000 emplois permanents devraient être créés.

La parution de mars 2009 du National Geographic contient un reportage de 24 pages qui dénonce la pollution liée à l'exploitation des sables bitumineux en Alberta^[2].

Aspect analytique

Les sols sont affectés après le procédé d’extraction des bitumes des sables par les eaux usées qui sont rejetées après avoir été utilisées. Ces eaux, sont pour la plupart, nettoyées mais celles qui ne peuvent pas l’être sont gardées dans des réservoirs pour être réutilisées dans le procédé d’extraction ou elles sont utilisées pour la réhabilitation du territoire. Ce dernier est le principe par lequel on pousse les sables délestés de leurs bitumes pour remplir les trous d’excavation faits par la machinerie. Le but est de recréer le territoire dévasté après les extractions. Cependant cette eau usée est extrêmement toxique, elle contient toute sorte de produits tels des métaux traces et des solvants du méthane, benzène, xylène et d’autres hydrocarbures, c’est une sorte de bouillie de produits dangereux. On peut comprendre que la qualité de ces nouveaux terrains créés laisse à désirer lorsque l’on sait ce qu’ils contiennent. Avec le temps il y aura accumulation de ces déchets dans ces sols particuliers, on ne connait pas aujourd’hui leur concentration réelle ni le rythme auquel ils s’entassent, parce qu’il n’y a aucune analyse indépendante qui a été faite. De plus, aucun suivi géologique n’est prévu, même si la toxicité va en augmentant. Le risque est que la pollution fasse un jour partie des sédiments et des écosystèmes pour ensuite s’installer dans la nappe phréatique parce que plusieurs agents nocifs ne se dégradent pas facilement dans la nature.

Pour l’aspect analytique du sol, dans le cas où l’on voudrait connaître le degré de toxicité de celui-ci en hydrocarbures, on procède d’abord avec un échantillonnage. Les résultats voulus seront directement influencés par la qualité de l’échantillon pris. Les caractéristiques du sol changent beaucoup d’un endroit à l’autre même si le terrain à analyser est petit. De même, il ne faut pas négliger la profondeur où l’on va chercher, il faut en plus prendre en considération la porosité et le type de sol. On peut remédier à tous ces facteurs en prenant différents échantillons en des endroits variés et en les mélangeant tous ensemble. Le résultat obtenu sera une sorte de moyenne. Dans la prise d’échantillons, on peut utiliser un détecteur de vapeurs organiques (DVO) qui servirait à mieux localiser sur le terrain les zones contaminées. Parce que ces détecteurs ne peuvent donner des mesures quantitatives, les analyses en laboratoire restent quand même nécessaires. Il y a aussi une procédure à suivre en ce qui concerne les matériaux et techniques utilisés pour la prise de sol. Il est conseillé de porter des gants propres et de les changer après chaque prise et pour le matériel, ils devrait être en acier inoxydable ou en téflon. Pour s’assurer que les résultats obtenus sont valables et représentatifs, un programme de contrôle ainsi que d’assurance de qualité doit être mis en forme. La définition d’Environnement Canada dit : « le contrôle de la qualité est l'ensemble des procédures utilisées pour mesurer et, si besoin est, de corriger la qualité des données. L'assurance de la qualité est l'ensemble de procédures utilisées pour fournir une assurance documentaire de l'application correcte du contrôle et de la qualité des données qui en découlent. » Pour pouvoir obtenir ce contrôle, des étapes doivent être suivies. Parmi celles-ci la plus importante est d’élaborer un protocole, une description détaillée de tout ce qui doit être fait. Le protocole doit contenir, entre autres, les méthodes de collecte, les lieux, le nombre d’échantillonnages à recueillir, les instructions de conservation, le plan de transport etc… Un échantillon doit être aussi pris pour connaître le degré normal de produit chimique dans un sol propre afin de permettre une comparaison. Il faudra alors effectuer la prise d’un site de contrôle. Ce dernier doit avoir les mêmes aspects pédologiques que le site contaminé. Il doit aussi être à proximité et au même niveau en hauteur que l’endroit corrompu.

Pour la quantification des polluants tels que le benzène et l’éthylbenzène m-xylène, on utilisera la chromatographie gazeuse suivie du détecteur par photoionisation. Cette technique est parmi les plus simples en analytique, qui a montré son efficacité à travers les années dans le domaine.

Avant d’être mis en analyse dans le chromatographe, l’échantillon devra subir la purge et trappe. « Purge and trap » est une méthode qui sert à récupérer 100% des analytes pris dans un échantillon (ex. le sol) pour ensuite les introduire sous forme volatile dans l’appareil à CG.

Histoire de l'exploitation en Alberta

À la fin de 2008 et au début de 2009, suite à la crise financière de 2008 et à une réduction importante du prix du baril de pétrole, plusieurs projets d'infrastructures ont été mis en veille^[3].

En août 2009, PetroChina a décidé de verser 2 milliards CAD pour acquérir 60 % des projets MacKay River et Dover, destinés à exploiter les sables bitumineux de l'Athabasca^[4].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Syncrude Canada, le plus grand producteur de pétrole synthétique au Canada
• Ressources et consommation énergétiques mondiales

Liens externes

• (en)Photos de schiste et de sable bitumeux.
• La production du pétrole brut synthétique en 2004 selon Statistique Canada
• (en) Musée des sables bitumineux, site du gouvernement de l'Alberta
• (en) Dan Woynillowicz et al., Oil Sands Fever: The environmental implications of Canada’s oil sands rush, Drayton Valley (Alberta), The Pembina Institute, 2005, 84p.
• (fr) Article de M@ppemonde, Énergie et environnement: l’exploitation des sables bitumineux en Alberta (Canada), Stéphane Héritier
• Dossier sur Radio-Canada
• [pdf] Présentation de la fabrication du bitume
• [pdf] Stock de pétrole

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