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

publié le 10/11/2021 | mis à jour le 31/08/2023 | par L'équipe Choisir.com

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 croûte terrestre.

Les matières organiques enfouies dans la terre puis déposées sur des sous-sols poreux ont subi plusieurs phases de transformation :

• soit au gré de la pression et de la température (processus thermogénique) ;
• soit par la fermentation des bactéries présentes dans les sédiments (processus biogénique) :
  1. en premier lieu, les sédiments se transforment en kérogène, un composé solide brut constitué essentiellement de carbone et d’hydrogène ;
  2. 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.

L’extraction des 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 d’où l’on extrait le gaz naturel produit, que l’on appelle gaz conventionnel.

Cependant, il existe d’autres sources d’extraction du gaz naturel. Ces sources sont définies sous l’appellation de gaz non-conventionnels, car leur exploitation est plus réduite en raison de coûts financiers élevés. On distingue ainsi comme gaz non conventionnels :

• le gaz de schiste, dont les gisements se situent dans des zones rocheuses imperméables. L’exploitation du gaz de schiste implique 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 se déroule le processus d’extraction du gaz ?

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.

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. On ne peut pas non plus 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 comme étant du « gaz associé ».

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 :

1. en premier lieu, une étude géologique poussée en surface et en profondeur pour cartographier l’ensemble des terrains ;
2. 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. On distingue ainsi les bassins prolifiques riches en hydrocarbures (Delta du Niger ou du Nil), et les bassins stériles pauvres en gisements et donc non rentables économiquement ;
• 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).

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 purification :

• récupération des condensats de gaz, qui produisent différents hydrocarbures tels que le naphta (servant à la pétrochimie) ou gaz de pétrole liquéfié (GPL) (propane ou butane). À 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 ;
• épuration de toute substance d’eau.

Quelle est 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-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.

Les étapes post-extraction du gaz naturel

Après son extraction et sa production, le gaz naturel doit être transporté vers les différents lieux de consommation dans le monde.

Le transport 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.

Le transport par gazoducs

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.

Le transport par méthaniers

Le transport du gaz s’effectue aussi par navires méthaniers. Ce mode de transport 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.

Le stockage du gaz naturel

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).

L’étape finale d’odorisation avant distribution

Enfin, la phase d’odorisation du gaz naturel conclut 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.

Quels sont les principaux pays extracteurs et producteurs de gaz ?

L’exploitation et l’extraction du gaz sont issues de gisements terrestres ou de gisements offshores (milieu marin) dans le monde.

L’état des réserves exploitables de gaz dans le monde

Les réserves mondiales de gaz naturel sont concentrées en majorité 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). À eux trois, ils concentraient près de 50 % des réserves prouvées mondiales de gaz (estimation totale à 188,100 Tm³).

L’exploitation du gaz naturel au niveau mondial

Les différents gisements de gaz naturel sont exploités de manière à suivre la demande mondiale ainsi que les fluctuations de coûts d’extraction. Toutefois, pour remédier à une dépendance énergétique, certains pays développent en masse des voies d’extraction de gaz non-conventionnels comme les États-Unis avec le gaz de schiste (45 % de leur production).

Quelle est l’origine du gaz naturel consommé en France ?

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.

Depuis le début de la guerre en Ukraine en février 2022, la Russie a réduit graduellement son volume d’importation de gaz en Europe jusqu’à couper totalement les lignes de gazoducs Nord Stream. En conséquence, la Norvège devient le premier pays importateur de gaz en France mais également en Europe.

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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 exempte de risque de fuites et d’incendies.

Quant aux gaz non conventionnels, dont l’exploitation est en forte expansion (comme le gaz de schiste aux États-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.

Quel avenir pour la filière d’extraction et de production 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.

Jusqu’à quand va durer l’extraction du gaz mondiale ?

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 2021 estime cette part de réserves mondiales prouvées de gaz naturel (gaz conventionnels) à 188 100 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.

Quid des questions géopolitiques sur l’extraction du gaz ?

Les réserves estimées ne doivent pas faire oublier les contraintes financières, ni les enjeux géopolitiques liés à l’extraction du gaz et à la dépendance énergétique de certains pays.

En effet, les conflits mondiaux (guerres entre pays producteurs et pays consommateurs) peuvent affecter les niveaux de prix du gaz et par corrélation son approvisionnement. Les réseaux de gazoducs peuvent être coupés ou servir de moyen de pression sur certains pays consommateurs. L’invasion de la Russie en Ukraine est un exemple concret avec pour conséquence une crise énergétique mondiale. La réduction des sources d’approvisionnement en gaz engendre une flambée des prix du gaz pour les pays consommateurs et in fine, les consommateurs finaux.

Quelles solutions alternatives au gaz naturel ?

Face aux enjeux importants liés à l’approvisionnement en gaz, les pays dépendants en gaz naturel doivent trouver d’autres sources d’énergie alternatives. L’indépendance énergétique par le développement d’énergies renouvelables devient alors une porte de sortie pour de nombreux pays privés d’exploitation de gisements gaziers fautes de ressources locales.

Depuis une dizaine d’années, la filière de production et d’exploitation du gaz naturel cherche des solutions alternatives à cette énergie fossile. À titre d’exemple, le développement du biogaz ou biométhane semble être un « adversaire » 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.

On peut citer d’autres orientations possibles pour remplacer le gaz naturel :

• la production du gaz vert à partir de la méthanisation ou de technique de valorisation de l’électricité (Power to gaz) ;
• le développement de l’hydrogène vert issu de l’eau pour l’injecter dans le réseau de gaz (ou encore de l’hydrogène bleu) ;
• le recours à des centrales biomasses pour les sites industriels (utilisation pour le chauffage et cycles de production).

Pour en apprendre plus sur l’enjeu écologique, l’objectif de neutralité carbone et l’avenir des infrastructures gazières du pays, consultez notre article dédié.