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Extraction du gaz naturel : comment extraire et transporter cette énergie fossile ?

Le gaz naturel est une énergie fossile hautement consommée dans le monde entier. Chauffage, cuisine, eau chaude sanitaire, les particuliers peuvent compter sur le pouvoir calorifique important du gaz naturel dans leur quotidien. Mais quelle est l’origine du gaz naturel commercialisé par leur fournisseur d’énergie ? D’où est extrait le gaz naturel ? Quel est le processus d’exploitation d’un gisement gazier ? Focus de Choisir.com.

Extraction de gaz

D’où provient le gaz naturel ?

Le gaz naturel est une énergie primaire issue de ressources naturelles. Voyons, pour commencer, l’origine d’un gisement de gaz.

La formation des gisements gaziers

L’exploitation d’un gisement de gaz implique une phase de recherche et de prospection qui a été longtemps souvent conjointe avec les gisements de pétrole. Ces deux énergies fossiles ont en effet une origine commune. La naissance d’un gisement de gaz naturel ou de pétrole prend ses racines au cours de différents processus de transformation sur des millions d’années.

La formation du gaz naturel provient en effet de couches de sédiments constitués à la surface de la terre à partir de déchets organiques (principalement des algues, planctons, argile et sable). Ces couches de sédiments appelées également « roche-mère » ont suivi un processus long et complexe d’intégration à la croute terrestre.

Les matières organiques enfouies dans la terre puis déposées sur des sous-sols poreux ont subi plusieurs phases de transformation, soit au grès de la pression et de la température (processus thermogénique), soit par la fermentation des bactéries présentes dans les sédiments (processus biogénique) :

  • en premier lieu, les sédiments se transforment en kérogène, un composé solide brut constitué essentiellement de carbone et d’hydrogène ;
  • le kérogène emprisonné dans la roche-mère se transforme à nouveau sous l’effet de la température (entre 50-120 °C). Ce processus appelé « pyrolyse » décompose le kérogène en deux hydrocarbures : le pétrole brut et le gaz naturel.

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Les gaz conventionnels et gaz non-conventionnels

L’exploitation des gisements de gaz dans le monde est fonction de son accessibilité et du coût de son extraction. La majorité des gisements exploités est issue de roches poreuses comme vu précédemment. Le gaz naturel produit, dit « gaz conventionnel », se distingue des gaz non-conventionnels dont l’exploitation est plus réduite en raison principalement des coûts financiers nécessaires, comme :

  • le gaz de schiste, dont les gisements se situent dans des zones rocheuses imperméables. L’exploitation du gaz de schiste impliquent des techniques d’extraction ou de forage décriées par leur fort impact environnemental (émission de gaz à effet de serre, pollution des nappes phréatiques, gaspillage important d’eau pour fracturer la roche) ;
  • le gaz de houille ou de charbon, qui est composé à 95 % de méthane et qui est extrait directement des veines du charbon ;
  • le gaz de réservoir compact, conservé comme le gaz de schiste dans des roches imperméables, toutefois en dehors de la roche mère ;
  • les hydrates de méthane, un composé solide résultant d’un mélange d’eau et de méthane cristallisés sous certaines conditions de pression et de température. Les gisements d’hydrates de méthane se situent dans des régions où leur exploitation est trop coûteuse (région arctique ou en Russie, fonds océaniques).

Comment et où sont localisés les gisements gaziers dans le monde ?

La situation géographique des gisements de gaz est très disparate sur la surface de la terre. Leur exploitation nécessite une phase obligatoire de recherche et de localisation pour les pays producteurs.

Quels sont les pays extracteurs et producteurs de gaz ?

L’exploitation et l’extraction du gaz sont issus de gisements terrestres ou de gisements offshores (milieu marin) dans le monde. Les réserves mondiales de gaz naturel sont concentrées principalement sur une poignée de pays au Moyen-Orient, en Asie et en Amérique.

En 2020, la Russie (20 % des réserves mondiales), l’Iran (17 %) et le Qatar (13 %) constituaient le trio de tête des pays producteurs de gaz dans le monde (source BP). A eux trois, ils concentraient près de 50 % des réserves prouvées mondiales de gaz (estimation totale à 188 100 Gm3).

RangPays producteurProduction de gaz en Tm3*Réserves mondiales en pourcentage (%)
1Russie37,420 %
2Iran32,117 %
3Qatar24,713 %
4Turkménistan13,67,2 %
5Etats-Unis12,66,7 %
6Chine8,44,5 %
7Venezuela6,33,3 %
8Arabie saoudite63,2 %
9Emirats arabes unis5,93,2 %
10Nigéria5,52,9 %
*Tm3 = en milliard de mégamètres cubes.

La France ne dispose pas de gisements de gaz suffisamment exploitables pour alimenter l’ensemble de sa population. En cela, la dépendance énergétique du pays est significative puisque la France importe près de 98 % de son gaz ; principalement via la Norvège (36 % des importations), la Russie (20 %), les Pays-Bas (8 %), mais également le Nigéria (8 %), l’Algérie (7 %) et le Qatar (4 %) selon les Chiffres clés de l’Energie 2020.

L’étape de prospection pour extraire le gaz

Pour localiser du gaz naturel, il ne suffit pas de brandir une baguette de sourcier comme au temps jadis pour trouver de l’eau. Ni encore compter sur l’exploitation de gisements de pétrole en tant que gaz associé. En effet, pendant des décennies, le gaz naturel ne faisait pas l’objet de chantiers d’exploitation à part entière, mais était souvent trouvé fortuitement lors de l’exploitation de gisements de pétrole. Le gaz naturel était mélangé au pétrole brut et était considéré alors comme étant du « gaz associé », c’est-à-dire associé au pétrole.

L’exploitation du gaz naturel répond aujourd’hui à un besoin énergétique important. La chaîne d’extraction du gaz se décompose en différentes étapes avec en premier lieu, une étude géologique poussée en surface et en profondeur pour cartographier l’ensemble des terrains. Une analyse sismographique par imagerie sismique complète l’étude pour identifier les réserves potentielles de gaz à extraire.

Via ces analyses, les compagnies gazières peuvent décider ou non d’exploiter les gisements de gaz localisés, au vu de leur profondeur et de la disposition des couches sédimentaires présentes.

Au cours de ces explorations, on distingue ainsi différents types de bassins découverts en fonction :

  • de leur concentration en hydrocarbures. Les bassins prolifiques riches en hydrocarbures (Delta du Niger ou du Nil), et les bassins stériles pauvres en gisements et donc non rentables économiquement ;
  • de leur niveau d’exploitation. Les bassins matures connus et exploités côtoient les bassins peu matures (peu exploités donc attractifs) et les bassins vierges (non exploités car peu accessibles).

La chaîne d’exploitation d’un gisement de gaz naturel

Le processus d’extraction du gaz nécessite des investissements coûteux impliquant de prendre compte, en aval, l’ensemble de la chaîne de production du gaz naturel (les étapes de traitement et d’acheminement).

Quelles sont les techniques de forage pour extraire le gaz ?

Après sa localisation, l’exploitation d’un gisement de gaz doit être validée, c’est-à-dire jugée économiquement viable. Pour ce faire, il est indispensable de forer (percer) la couche terrestre où sont enfouies les poches de gaz au-delà de 2 kilomètres. Les compagnies gazières utilisent pour cela, différentes techniques de forage :

  • le forage vertical, traditionnellement utilisé au début de l’ère d’exploitation des gisements de gaz dès les années 1970 ;
  • le forage horizontal, consistant à courber la ligne de forage pour atteindre le gisement et de forer par la suite à l’horizontal. La technique du forage horizontal est principalement utilisée pour des gisements gaziers étendus ;
  • la fracturation hydraulique, qui est employée pour les gisements de gaz de schiste. Son utilisation qui consiste à briser la roche via un liquide sous haute pression, est très controversée du fait de son impact environnemental important.

L’extraction du gaz nécessite de construire en parallèle des infrastructures de forage complexes et imposantes. Concrètement, dans un forage vertical, au pied d’une tour se trouve une tête de forage dotée de dents en acier très dur, voire en diamant, qui permet de creuser la terre jusqu’à 6 000 m de profondeur. Le mouvement de la tête de forage est assuré par une table de rotation installée dans la tour de forage.

Généralement, le gaz libéré est sous pression et remonte donc normalement tout seul les tuyaux de la tour de forage (ou derrick de forage). En cas de faible pression, l’extraction du gaz peut toutefois être assurée par des installations de pompage.

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Après l’extraction, le traitement du gaz naturel

Après la phase d’extraction du gaz vient la phase de traitement. Le gaz naturel est une énergie fossile mais également une énergie primaire constituée d’une série de composés différents.

Pour une utilisation domestique (chauffage, cuisson, production d’eau chaude) ou industrielle, le gaz naturel doit suivre un processus de traitement :

  • récupération des condensats de gaz, qui produisent un hydrocarbure à haute valeur ajouté dont le naphta. A noter que la récupération des condensats de gaz nécessite la construction de deux réseaux de collecte distincts (un pour les condensats, un autre pour le reste des hydrocarbures) ;
  • séparation puis rejet du CO2 dans l’atmosphère ou injection sur un site industriel voisin ;
  • récupération de l’hélium et de gaz acide pour commercialisation ;
  • séparation des hydrocarbures liquéfiés (GPL) tels que le butane et le propane ;
  • épuration de toute substance d’eau.

Le transport et le stockage du gaz naturel vers les points de consommation

L’ultime étape de l’exploitation d’un gisement est le transport du gaz vers les points de consommation. Cette étape est également la plus coûteuse financièrement. L’acheminement du gaz se faisant principalement par voie de gazoducs ou des méthaniers par voie maritime.

La première option par gazoducs terrestres ou sous-marins implique la construction de tuyaux reliant le pays producteur aux pays consommateurs parfois sur des milliers de kilomètres. Des stations de compression sont installées tout au long du réseau de gazoducs afin de maintenir le gaz naturel à une pression acceptable pour une circulation à grande vitesse.

D’autre part, la construction ou la présence de lieux de stockage du gaz s’avère également nécessaire. La plupart des contrats d’approvisionnement entre les pays producteurs et les pays consommateurs de gaz prévoient en effet, une alimentation constante, y compris pendant les périodes à faible demande (période estivale par exemple).

La seconde option par voie de navires méthaniers implique également des investissements importants : le gaz naturel extrait et épuré doit être transformé à l’état liquide, en gaz naturel liquéfié (GNL) à -161 °C, pour être transportable. Cette transformation en GNL implique la construction d’usines de liquéfaction près du lieu d’extraction du gaz, puis l’utilisation de terminaux méthaniers pour son transport et sa réception. Enfin, la construction d’usine de stockage et de regazéification avant injection dans le réseau de distribution vers les points de consommation de gaz.

La phase d’odorisation du gaz naturel conclue la phase opérationnelle de l’exploitation du gaz naturel. Avant injection dans le réseau de distribution, le gaz naturel est odorisé pour des raisons de sécurité. Un additif chimique est ajouté au gaz naturel afin qu’il soit facilement reconnaissable par les usagers en cas de fuite.

Extraction du gaz : quid de l’impact environnemental ?

L’exploitation d’un gisement de gaz répond à des besoins énergétiques et des enjeux économiques de nombreux pays. En tant qu’énergie fossile, l’extraction du gaz conventionnel, ainsi que toute la chaîne d’exploitation du gisement gazier (transport, acheminement, distribution) présentent des risques importants pour l’environnement. Le méthane, dont est constitué le gaz naturel, est un gaz à effet de serre néfaste et haut contributeur du réchauffement climatique actuel.

D’autre part, l’exploitation des réseaux de gazoducs terrestres ou sous-marins n’est pas exempt de risque de fuites ni d’incendies.

Quant aux gaz non conventionnels, dont l’exploitation est en forte expansion comme le gaz de schiste aux Etats-Unis, les dommages environnementaux sont beaucoup plus importants. La technique de fracturation hydraulique nécessite une grande consommation d’eau additionnée de sable et de divers produits chimiques pour fracturer la roche et récupérer le gaz emprisonné. Cette méthode d’extraction du gaz cause ainsi une grande pollution des nappes phréatiques. Elle semble être aussi responsable de dommages collatéraux, tels que des secousses sismiques et des tremblements de terre.

Depuis une dizaine d’années, la filière de production et d’exploitation du gaz naturel cherche des solutions alternatives à cette énergie fossile. A titre d’exemple, le développement du biogaz ou biométhane semble être un challenger de choix. Le biométhane est une énergie renouvelable issue de la fermentation de matières organiques. Composé à 70 % de méthane, il dispose des mêmes propriétés calorifiques que le gaz naturel sans émettre le même niveau de gaz à effet de serre.

De plus, le biogaz permet à la France de produire une énergie locale et de travailler ainsi à son indépendance énergétique.

Combien de temps peut durer l’exploitation du gaz naturel ?

Le gaz naturel en tant qu’énergie fossile a une durée d’exploitation limitée dans le temps. Quel est l’impact sur l’avenir de la filière mondiale et plus précisément pour la France ?

La durée de vie d’un gisement de gaz naturel

Un gisement de gaz naturel dispose d’une durée de vie d’exploitation variable en fonction de la taille elle-même du gisement et surtout des coûts financiers engagés. En moyenne, on estime que la durée de vie d’extraction de gaz sur un gisement se situe entre 15 et 30 ans. Toutefois, l’aspect économique joue fatalement un rôle déterminant pour juger de la poursuite d’exploitation d’un gisement gazier. En fonction des investissements réalisés et à prévoir, cette durée de vie peut être réduite de 5 à 10 ans.

On estime que sur un gisement gazier avec gaz conventionnel, 80 % du gaz naturel peut être exploité ou récupéré, contrairement aux gaz non conventionnels où seulement 20 % des réserves potentielles sont exploitables.

Quel avenir pour la filière du gaz naturel ?

L’exploitation mondiale des gisements de gaz est au centre de multiples enjeux et de contraintes financières. Troisième énergie primaire consommée dans le mix énergétique mondial derrière le pétrole et le charbon, le gaz naturel possède de multiples atouts : énergie efficace pour des usages domestiques (cuisson ou chauffage), il participe aussi activement à la production industrielle ou chimique en tant que combustible.

Toutefois, la question des réserves mondiales de gaz naturel et par corrélation de leur extinction est au centre de toutes les préoccupations. Le rapport BP de 2020 estime cette part de réserves mondiales prouvées de gaz naturel (gaz conventionnels) à 187 100 milliards de m3, soit une durée de vie moyenne d’exploitation des gisements gaziers de 54 ans. C’est bien plus que le pétrole (50 ans environ) mais moins que le charbon (110 ans). En y incluant la part de réserves mondiales de gaz non conventionnels, soit de gaz de schiste, cette durée d’exploitation peut être augmentée jusqu’à 100 ans, voire 200 ans (données Total).

Cependant, ces réserves estimées ne doivent pas faire oublier les contraintes financières, ni les enjeux géopolitiques liées à l’extraction du gaz. Le marché mondial du gaz naturel est très fluctuant et volatil. Les conflits mondiaux (guerres ou conflits entre pays producteurs et pays consommateurs) peuvent affecter les niveaux de prix et par corrélation l’approvisionnement en gaz naturel. Les réseaux de gazoducs peuvent être coupés ou servir de moyen de pression sur certains pays consommateurs.

L’indépendance énergétique par le développement d’énergies renouvelables (biométhane, énergie hydraulique, éoliennes, panneaux solaires, biomasse, etc.) devient alors une porte de sortie obligatoire pour de nombreux pays privés d’exploitation de gisements gaziers fautes de ressources locales.

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