FORAGE ET PRODUCTION DU PÉTROLE, 3ÈME ANNÉE / OPTION : PÉTROCHIMIE INDUSTRIELLE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Finalités de la formation

La formation en forage et production de pétrole a pour finalité de doter l’élève des compétences techniques et opérationnelles relatives à la construction des puits d’hydrocarbures et à l’extraction des fluides qu’ils contiennent. L’objectif est de former des techniciens capables de comprendre la complexité d’un chantier de forage, de superviser les opérations de production de base et d’assurer le lien entre le gisement souterrain et les installations de surface.

2. Compétences visées

À l’issue de cette année, l’élève devra être capable de décrire les composants d’un appareil de forage et d’expliquer leurs fonctions, de maîtriser le rôle et la circulation des fluides de forage, et de détailler les étapes de construction et de complétion d’un puits. Il pourra également différencier les mécanismes de production, identifier les principales techniques d’activation (artificial lift) et expliquer le fonctionnement d’un centre de traitement primaire de la production.

3. Approche Pédagogique

L’enseignement adopte une approche résolument pratique et technologique, simulant la réalité d’un champ pétrolier. Chaque concept est illustré par des schémas détaillés d’équipements, des études de cas opérationnels et des analyses de rapports de forage ou de production. Les exemples sont tirés des opérations menées dans le bassin côtier de la RDC, en insistant sur les spécificités des forages offshore et sur les techniques de production mises en œuvre localement par des opérateurs comme Perenco. [cite_start]Des visites de chantiers ou de bases logistiques, lorsque possibles, sont fortement encouragées. [cite: 220]

4. Sécurité Opérationnelle sur un Chantier de Forage (HSE)

La culture de la sécurité est le pilier de ce cours. Une attention rigoureuse est portée aux risques majeurs des opérations de forage et de production (éruptions, incendies, fuites de gaz toxique, accidents de manutention). L’élève étudiera les systèmes de sécurité des appareils de forage (BOP), les procédures de travail (permis de travail, analyse de risques) et l’importance cruciale des équipements de protection individuelle et collective sur un site pétrolier.

Partie I : Fondements et Technologies des Opérations de Forage 🏗️

Cette partie se concentre sur la première grande phase de la vie d’un puits : sa création. L’élève y découvrira la complexité technologique et logistique d’une opération de forage. L’étude détaillée des appareils de forage, des fluides et des méthodes constitue la base indispensable pour comprendre comment atteindre une cible géologique située à plusieurs kilomètres de profondeur de manière sûre et efficace.

Chapitre 1 : Introduction aux Opérations de Forage et aux Puits

Ce chapitre pose le cadre général et définit les objectifs du forage.

1.1. Objectifs et Finalités du Forage

[cite_start]Le forage est présenté comme l’unique moyen de confirmer la présence d’hydrocarbures et de créer un conduit entre le gisement et la surface. [cite: 214] [cite_start]L’élève distinguera les puits d’exploration, d’appréciation et de développement, chacun répondant à un objectif précis. [cite: 172]

1.2. Les Puits de Pétrole : Définition et Architecture Générale

Un puits est défini comme une structure complexe et non comme un simple trou. Son architecture télescopique (diamètres décroissants avec la profondeur) et les différentes phases de forage pour atteindre la profondeur finale seront introduites.

1.3. Planification d’une Campagne de Forage

L’élève découvrira les étapes de planification qui précèdent le forage : études géologiques et géophysiques, conception du puits (well design), choix de l’appareil, logistique pour acheminer le matériel sur des sites parfois isolés comme ceux de la Cuvette Centrale.

1.4. Les Temps Opérationnels et les Coûts

[cite_start]La notion de « temps improductifs » (temps non passés à forer) sera introduite pour souligner l’importance de l’efficacité opérationnelle. [cite: 219] L’élève prendra conscience des coûts très élevés associés à une journée de forage, justifiant la planification rigoureuse et la culture de la performance.

Chapitre 2 : Les Appareils de Forage et leurs Systèmes

Ce chapitre détaille les composants de l’imposante machine qu’est un appareil de forage (rig).

2.1. Classification des Appareils de Forage

[cite_start]Les appareils de forage seront classifiés selon leur mobilité et leur environnement : les appareils terrestres (onshore), transportables par camion ou héliportables, et les appareils marins (offshore), des barges auto-élévatrices aux navires de forage pour les eaux profondes. [cite: 172]

2.2. Le Système de Levage

Ce système, qui permet de manipuler les lourdes garnitures de forage, sera décrit. [cite_start]L’élève identifiera le mât ou le derrick, le treuil (drawworks), le moufle mobile et le crochet, qui constituent la colonne vertébrale de l’appareil. [cite: 172]

2.3. Le Système de Rotation

L’élève étudiera les deux technologies permettant de faire tourner la garniture de forage : la table de rotation entraînant un kelly, et le système plus moderne du « top drive » qui permet une rotation continue et plus efficace.

2.4. Le Système de Puissance

La génération et la distribution de l’énergie sur un site de forage seront analysées. [cite_start]L’élève comprendra que les appareils sont des usines autonomes, alimentées par de puissants groupes électrogènes qui fournissent l’énergie aux moteurs électriques des différents systèmes. [cite: 172]

Chapitre 3 : Les Fluides de Forage et les Méthodes de Forage

Ce chapitre se concentre sur le « sang » de l’opération, la boue de forage, et sur les techniques de percement.

3.1. Rôles et Classification des Fluides de Forage

[cite_start]Les multiples fonctions de la boue de forage seront détaillées : remonter les déblais, contrôler la pression, refroidir l’outil, consolider les parois. [cite: 213] [cite_start]L’élève distinguera les boues à base d’eau, à base d’huile et les fluides gazeux (forage à l’air). [cite: 213]

3.2. Le Circuit de Circulation de la Boue

[cite_start]Le circuit complet sera décrit : depuis les bacs à boue, les pompes à haute pression l’injectent dans la garniture, elle sort par le trépan, remonte par l’espace annulaire et retourne en surface où des équipements de traitement (tamis, hydrocyclones) la nettoient avant sa recirculation. [cite: 172]

3.3. Le Forage Rotatif (Rotary)

[cite_start]Le forage rotatif, méthode quasi universelle aujourd’hui, sera décrit en détail. [cite: 213] [cite_start]Il combine l’action de rotation de la garniture et de poids sur l’outil (trépan) pour écraser ou cisailler la roche. [cite: 213]

3.4. Introduction au Forage Dirigé

Le forage dirigé sera présenté comme la technique permettant de forer des puits non verticaux. Ses applications (forer plusieurs puits depuis une seule plateforme offshore, contourner un obstacle géologique) et les outils spécifiques (moteurs de fond, turbines) seront introduits.

Partie II : Construction, Architecture et Complétion des Puits 🛠️

Cette partie est consacrée à l’art de construire un puits durable et sûr. Forer un trou n’est que la première étape ; il faut ensuite le transformer en une structure pérenne capable de résister aux pressions et de produire des hydrocarbures pendant des décennies. L’élève y apprendra les opérations cruciales de tubage, de cimentation et de complétion, qui font le lien entre l’opération de forage et le début de la production.

Chapitre 4 : Architecture du Puits, Tubage et Cimentation

Ce chapitre décrit comment le puits est sécurisé et isolé des formations géologiques.

4.1. L’Architecture Télescopique du Puits

L’architecture d’un puits, constituée de plusieurs sections de forage de diamètres décroissants, sera expliquée. Chaque phase de forage est suivie de la pose d’une colonne de tubes en acier (tubage ou casing).

4.2. Les Différentes Colonnes de Tubage

[cite_start]L’élève apprendra le rôle de chaque type de colonne de tubage : le tube guide (conductor casing), le tubage de surface (surface casing) pour protéger les nappes phréatiques, et les tubages intermédiaires et de production. [cite: 213]

4.3. L’Opération de Cimentation

La cimentation, qui consiste à pomper un laitier de ciment dans l’espace annulaire entre le tubage et la formation, sera détaillée. Ses objectifs (assurer la tenue mécanique du tubage, isoler les différentes couches géologiques) seront mis en évidence.

4.4. Le Contrôle de la Qualité de la Cimentation

L’importance de la qualité de la cimentation pour l’intégrité du puits sera soulignée. L’élève découvrira les outils de diagraphie (logging), comme le « Cement Bond Log » (CBL), qui permettent de vérifier la bonne adhérence du ciment après la prise.

Chapitre 5 : La Complétion et les Équipements de Fond

Ce chapitre se concentre sur l’équipement du puits pour le préparer à la production.

5.1. Définition et Objectifs de la Complétion

La complétion sera définie comme l’ensemble des opérations visant à équiper le puits pour qu’il puisse produire des fluides de manière sûre et efficace. La conception de la complétion dépend des caractéristiques du réservoir.

5.2. La Liaison Puits-Réservoir : La Perforation

La technique de la perforation, qui consiste à réaliser des trous dans le tubage et le ciment à l’aide de charges explosives pour mettre le puits en communication avec la couche productrice, sera expliquée.

5.3. Les Équipements de Production en Fond de Puits

L’élève étudiera les principaux équipements installés au fond du puits : le tube de production (tubing) par lequel les fluides remontent, le packer qui assure l’étanchéité de l’annulaire, et les vannes de sécurité de subsurface (DHSV).

5.4. Le Contrôle du Sable (Sand Control)

Dans les réservoirs non consolidés (sableux), comme certains gisements du bassin côtier congolais, des techniques spécifiques de contrôle du sable (filtres à sable, « gravel packs ») sont nécessaires pour éviter l’érosion des équipements et le colmatage du puits.

Chapitre 6 : Les Équipements de Tête de Puits et de Sécurité

Ce chapitre décrit les interfaces visibles et les systèmes de contrôle en surface.

6.1. La Tête de Puits (Wellhead)

La tête de puits sera présentée comme l’équipement de surface qui supporte les colonnes de tubage et permet de contrôler l’accès au puits. Elle constitue la fondation sur laquelle sera installé l’équipement de production.

6.2. L’Arbre de Noël (Christmas Tree)

[cite_start]L’arbre de Noël, un assemblage complexe de vannes et de manomètres installé sur la tête de puits, sera décrit. [cite: 219] Son rôle est de contrôler le flux des fluides sortant du puits et de permettre les interventions.

6.3. Les Vannes de Sécurité de Surface (SSV)

L’élève apprendra le rôle des vannes de sécurité de surface, qui sont conçues pour se fermer automatiquement en cas de problème (surpression, incendie) afin d’isoler le puits et de prévenir un accident majeur.

6.4. Les Systèmes de Contrôle et de Commande

Les panneaux de commande hydrauliques ou pneumatiques qui permettent d’opérer les différentes vannes de l’arbre de Noël et les vannes de sécurité depuis une salle de contrôle déportée seront présentés.

Partie III : Principes et Technologies de la Production Pétrolière 💧

Une fois le puits foré et complété, la phase de production peut commencer. Cette partie est consacrée à l’étude des mécanismes naturels qui permettent l’écoulement des hydrocarbures, aux technologies mises en œuvre lorsque ces mécanismes sont insuffisants, et aux opérations de maintenance et de suivi qui assurent la longévité et la performance des puits tout au long de leur vie.

Chapitre 7 : Les Mécanismes de Production d’un Gisement

Ce chapitre explore les moteurs naturels qui font remonter les hydrocarbures.

7.1. Le Rôle de la Pression du Gisement

La pression naturelle du réservoir sera présentée comme le moteur principal de la production. La chute de cette pression au cours de la vie du champ est le principal défi de l’ingénieur de production.

7.2. La Déplétion par Expansion des Fluides (Solution Gas Drive)

Ce mécanisme, où l’expansion du gaz dissous dans l’huile pousse les fluides vers le puits, sera étudié. L’élève comprendra qu’il est souvent peu efficace et conduit à des taux de récupération faibles.

7.3. La Poussée du Gaz (Gas Cap Drive)

Le mécanisme de production par l’expansion de la calotte de gaz (« gas cap ») située au-dessus de l’huile sera analysé. Il offre une récupération généralement meilleure que la simple déplétion.

7.4. La Poussée de l’Eau (Water Drive)

La production par la poussée d’un aquifère actif situé sous le gisement d’huile sera décrite comme le mécanisme naturel le plus efficace, permettant des taux de récupération élevés et un maintien de la pression du gisement.

Chapitre 8 : Les Techniques d’Activation de la Production (Artificial Lift)

Ce chapitre présente les technologies utilisées lorsque la pression naturelle ne suffit plus.

8.1. Le Principe de l’Activation

L’activation (ou « artificial lift ») sera définie comme toute méthode visant à ajouter de l’énergie dans le puits pour aider les fluides à remonter à la surface.

8.2. Les Pompes à Balancier (Sucker Rod Pumps)

Le système de pompage à balancier, ou « tête de cheval », emblématique des champs pétroliers terrestres, sera décrit. [cite_start]Son fonctionnement mécanique simple et sa robustesse seront mis en avant. [cite: 219]

8.3. Les Pompes Électriques Immergées (ESP)

L’ESP, une pompe centrifuge multi-étages directement immergée dans le puits, sera présentée comme une solution très efficace pour les puits à fort débit, notamment en offshore.

8.4. Le Gas-Lift

La technique du « gas-lift » sera expliquée : elle consiste à injecter du gaz sous pression à la base du tube de production pour alléger la colonne de fluide et faciliter sa remontée. Cette méthode est très utilisée sur les champs offshore du Congo.

Chapitre 9 : Introduction aux Interventions sur Puits (Workover)

Ce chapitre aborde les opérations de maintenance et de réparation effectuées sur un puits au cours de sa vie.

9.1. Définition et Objectifs d’une Intervention

Une intervention (« workover ») sera définie comme toute opération sur un puits après sa complétion initiale. Ses objectifs peuvent être la maintenance, la réparation, ou l’amélioration de la productivité.

9.2. Les Opérations de « Wireline »

Les interventions légères utilisant un câble (« wireline ») pour descendre des outils dans le puits (mesures de pression, ouverture/fermeture de vannes de fond, nettoyage) seront décrites.

9.3. Les Opérations de « Coiled Tubing »

Le « coiled tubing », qui consiste à utiliser un tube flexible enroulé sur une bobine pour intervenir dans le puits, sera présenté comme une technique polyvalente pour des opérations de pompage ou de nettoyage.

9.4. Les Interventions Lourdes avec Appareil (Workover Rig)

Les interventions lourdes, qui nécessitent un appareil de forage léger pour retirer le tube de production et modifier la complétion, seront présentées comme les opérations les plus complexes et les plus coûteuses.

Partie IV : Gestion des Effluents et Installations de Surface 📈

Cette dernière partie se concentre sur ce qui se passe après que les fluides ont atteint la surface. L’élève y étudiera le rôle crucial du centre de production, qui transforme un mélange brut (pétrole, gaz, eau, sédiments) en produits commercialisables. La gestion des effluents (eau et gaz) et les opérations de comptage et d’exportation sont des aspects fondamentaux de l’exploitation d’un champ pétrolier.

Chapitre 10 : Les Installations de Surface et le Traitement Primaire

Ce chapitre décrit le rôle et le fonctionnement du centre de production.

10.1. Rôle et Fonction d’un Centre de Production

Le centre de production sera présenté comme le point de rassemblement des effluents de tous les puits d’un champ. [cite_start]Ses fonctions principales sont la séparation, le traitement, le comptage et l’exportation. [cite: 219]

10.2. La Séparation des Phases

Les séparateurs de production (biphasiques ou triphasiques) seront étudiés plus en détail, en analysant les principes physiques (gravité, temps de séjour) qui permettent de séparer efficacement le pétrole, le gaz et l’eau.

10.3. Le Traitement du Pétrole

Le traitement du pétrole brut pour atteindre les spécifications commerciales sera décrit : déshydratation (pour enlever l’eau résiduelle) et dessalage.

10.4. Le Traitement du Gaz

Le traitement primaire du gaz associé sera étudié : déshydratation et, si nécessaire, compression pour son utilisation comme combustible sur site, sa réinjection dans le gisement ou son envoi vers une usine de traitement plus poussé.

Chapitre 11 : Le Comptage, le Stockage et l’Exportation du Brut

Ce chapitre se concentre sur la mesure et la logistique de la production vendable.

11.1. Le Comptage Transactionnel (Fiscal)

L’importance cruciale du comptage précis des volumes de pétrole et de gaz exportés sera soulignée, car il constitue la base du calcul des revenus pour la compagnie et des redevances pour l’État congolais. Les systèmes de comptage (compteurs à turbine, à ultrasons) seront décrits.

11.2. Le Stockage du Brut traité

Les grands réservoirs de stockage (« tanks ») où le pétrole brut stabilisé est accumulé avant son expédition seront présentés. Les opérations de jaugeage et de mesure de la qualité dans ces bacs seront expliquées.

11.3. Les Systèmes d’Exportation

Les différentes méthodes d’exportation du brut depuis un champ seront analysées : par oléoducs vers une raffinerie ou un terminal portuaire, ou par chargement direct sur des navires pétroliers via des terminaux offshore, comme le terminal de Djéno au large de Pointe-Noire qui traite une partie de la production congolaise.

11.4. L’Échantillonnage et l’Analyse pour l’Export

Avant chaque chargement, des échantillons de brut sont prélevés et analysés pour garantir qu’il respecte les spécifications contractuelles (teneur en eau, densité, etc.). [cite_start]Cette étape de contrôle qualité est essentielle pour la transaction commerciale. [cite: 219]

Chapitre 12 : La Gestion des Effluents (Eau de Production et Gaz Associé)

Ce chapitre aborde les enjeux environnementaux et opérationnels liés aux fluides co-produits avec le pétrole.

12.1. L’Eau de Production : Origine et Problématique

L’eau produite avec le pétrole, qui peut être très salée et contenir des traces d’hydrocarbures, sera présentée comme le principal déchet en volume de l’industrie pétrolière.

12.2. Le Traitement de l’Eau de Production

Les différentes étapes de traitement de l’eau (déshuilage, filtration) avant son rejet en mer (dans le respect des normes environnementales) ou sa réinjection dans le gisement (pour le maintien de pression) seront décrites.

12.3. Le Gaz Associé : Ressource ou Contrainte ?

Le gaz produit avec le pétrole peut être une ressource valorisable ou une contrainte. L’élève analysera les différentes options de gestion : la conservation (utilisation, réinjection, exportation) ou, en dernier recours, le torchage.

12.4. La Réduction du Torchage : Enjeux Économiques et Écologiques

Le torchage du gaz sera présenté comme un gaspillage de ressource et une source d’émissions de gaz à effet de serre. Les efforts internationaux et les technologies visant à réduire le torchage, un enjeu important pour le secteur pétrolier en RDC, seront discutés.

Annexes

Cette section fournit des documents de référence pour une consultation rapide et une meilleure assimilation des concepts.

1. Glossaire des Termes de Forage et Production

Une définition claire des termes techniques clés (ex: BOP, complétion, gas-lift, workover) est fournie pour assurer la maîtrise du vocabulaire spécialisé.

2. Schéma Détaillé d’un Appareil de Forage Rotatif

Un schéma légendé d’un appareil de forage terrestre, identifiant tous les systèmes principaux (levage, rotation, circulation, puissance, sécurité).

3. Classification des Fluides de Forage

Un tableau synthétique classifiant les principaux types de boues de forage (à l’eau, à l’huile) avec leurs avantages, leurs inconvénients et leurs domaines d’application.

4. Exemples de Rapports Journaliers de Forage et de Production

Des extraits de rapports journaliers typiques (« drilling report » et « production report »), illustrant comment les opérations et les données clés sont enregistrées et suivies au quotidien sur un champ pétrolier.