Sables bitumineux

Figure 1. Zone de production de sables bitumineux à Fort McMurray, en Alberta.

Les sables bitumineux sont un mélange de sable, d'argile, d'eau et de bitume qui se produit naturellement. Le bitume est le composant combustible fossile de ce sable, et c'est un pétrole très visqueux qui doit être traité et amélioré avant de pouvoir être utilisé pour produire des combustibles utiles comme l'essence.

On trouve des gisements de sables bitumineux dans le monde entier, au Moyen-Orient, au Venezuela, au Canada, aux États-Unis et en Russie. Le plus grand gisement du Canada (et potentiellement du monde) est le gisement d'Athabasca dans le nord de l'Alberta, au Canada. Il s'agit du gisement le plus développé au monde, ce qui signifie que, de tous les gisements de sables bitumineux, c'est celui dont l'exploitation est la mieux établie et la plus continue.

Formation

Comme le pétrole brut, le bitume qui existe dans les sables bitumineux était au départ une matière organique vivante. On suppose que les sables bitumineux se sont formés à la suite d'anciens océans qui existaient il y a des millions d'années et qui recouvraient les zones où se trouvent les sables bitumineux aujourd'hui. Lorsque les organismes marins microscopiques présents dans les océans sont morts, ils se sont décomposés à l'aide de bactéries. Les bactéries ont éliminé l'oxygène et l'azote, laissant principalement de l'hydrogène et du carbone. La chaleur et la pression ont ensuite entraîné la stratification de la roche, du limon et du sable au fil du temps et ont cuit la matière organique morte pendant des millions d'années à des températures comprises entre 50 et 150 °C. Cette formation de pétrole est similaire à celle d'autres dépôts d'huiles plus légères, sauf que les fractions d'hydrocarbures plus légères peuvent avoir été perdues pendant la migration et/ou que l'huile lourde est le composant qui est resté après la dégradation bactérienne. Tous les gisements de sables bitumineux ont en commun d'être situés à la surface ou relativement près de la surface, clairement connectés à des eaux douces proches de la surface qui auraient pu fournir les microbes nécessaires. La première de ces théories est que les sables bitumineux ont commencé comme une vaste réserve de pétrole brut et que, sur de longues périodes, le pétrole brut plus léger s'est échappé ou a été détruit par des microbes, laissant du bitume. La deuxième théorie est que le bitume s'est formé immédiatement dans un processus similaire à la formation du pétrole de schiste. Selon cette théorie, le bitume a été libéré à partir de schistes contenant une grande quantité de matière organique (schistes riches en kérogène) au lieu de libérer du pétrole brut.

Terminologie

Figure 2. Gisement de sables bitumineux à Trinité-et-Tobago.

Trois termes sont généralement utilisés pour désigner les gisements de sables bitumineux : sables bitumineux, sables goudronneux et sables pétrolifères. Le terme sables bitumineux est le plus largement utilisé, le terme sables goudronneux est souvent utilisé par les personnes qui souhaitent marquer les impacts environnementaux des sables bitumineux. Le terme sables bitumineux serait le plus exact à utiliser, puisqu'il est composé de bitume et de sable plutôt que de goudron ou de pétrole. La teneur en bitume de ces gisements varie de 1 à 18%.Au milieu des années 1990, l'industrie pétrolière canadienne et le gouvernement ont décidé que le terme "sables bitumineux" devait être utilisé à l'avenir. HHistoriquement, les sables bitumineux étaient appelés sables goudronneux en raison de leur utilisation (inefficace) comme goudron de toiture et de pavage. Au fil du temps, ce terme a été abandonné car le goudron est très différent du pétrole. Le goudron est un produit synthétique créé à partir de charbon, bois, pétrole ou tourbe par un processus de distillation, alors que le pétrole est un produit pétrochimique naturel qui peut être transformé en produits pétroliers.

Extraction

Figure 3. Aperçu du processus d'extraction des sables bitumineux.

Les sables bitumineux doivent passer par plusieurs étapes avant de pouvoir être transformés en produits plus utiles (figure 3). Il faut d'abord l'extraire : l'exploiter, le traiter mécaniquement et le traiter chimiquement. Il peut ensuite être valorisé, raffiné et transformé en produits finaux. En moyenne, il faut 2 tonnes de sable pétrolifère extrait pour produire un seul baril de pétrole brut synthétique. Selon que le gisement est situé ou non près de la surface, il peut être extrait soit par une exploitation à ciel ouvert, soit par des techniques in situ (figure 4). Après l'extraction, le sable doit être traité et le bitume valorisé. Le bitume étant épais et présentant un déficit en hydrogène lors de son extraction, il doit être valorisé pour éliminer le carbone ou ajouter de l'hydrogène afin d'obtenir un hydrocarbure équilibré et plus avantageux économiquement.

Figure 4. Différence entre l'exploitation minière en surface et in situ.

Exploitation de surface

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Certaines réserves sont suffisamment peu profondes pour être exploitées à ciel ouvert, ce qui signifie simplement que des engins de terrassement peuvent être utilisés pour extraire le sable pétrolifère afin de le traiter. Les ressources récupérables par ce type d'extraction sont estimées à 65 milliards de barils. Ces gisements doivent généralement se trouver à moins de 75 mètres de la surface pour être exploités de cette manière. Actuellement, environ 500 kilomètres carrés du gisement de sables bitumineux du nord de l'Alberta font l'objet d'une exploitation à ciel ouvert, ce qui ne représente que 3 % du total des sables bitumineux.

TPour extraire les sables bitumineux, de grandes pelles sont utilisées pour extraire les sables bitumineux et les déposer à l'arrière de camions de transport. Les camions transportent les sables bitumineux vers des installations de traitement mécanique, qui comprennent des concasseurs et des mécanismes de triage. Les concasseurs brisent les gros morceaux de roche et les trieurs traitent la roche broyée, renvoyant les morceaux encore trop gros dans le concasseur. Le matériau broyé est ensuite envoyé vers un traitement chimique. Le sable bitumineux est immergé dans un mélange d'eau chaude et d'un produit chimique caustique diluant. Cela oblige le bitume à se séparer du sable. Le composant non bitumineux qui reste est composé de sable, d'eau, d'argiles fines et de minéraux. Ces composants restants sont appelés résidus et sont envoyés dans des bassins de décantation pour permettre au sable de se déposer. Le bitume séparé et dilué est ensuite envoyé à la valorisation pour être transformé en produits plus utiles.

In situ

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In situ signifie simplement des dépôts souterrains, qui représentent 80 % des sables bitumineux du Canada. Ces gisements sont enfouis à plus de 75 mètres de profondeur, ce qui rend impossible l'exploitation traditionnelle à partir de la surface. La plupart de ces gisements sont enfouis à plus de 350-600 mètres sous terre. Il existe une variété de méthodes spécifiques utilisées pour extraire les ressources des gisements in situ.

Les deux méthodes les plus courantes utilisées pour la récupération in situ sont le drainage par gravité assisté par la vapeur et la stimulation cyclique par la vapeur. Dans ces deux méthodes, la vapeur, les solvants ou la chaleur rendent le bitume suffisamment fluide pour qu'il puisse être pompé hors du puits. L'un des avantages de ce modèle d'extraction est que les bassins de décantation ne sont pas nécessaires puisque le sable reste dans le sol, ce qui signifie que moins d'eau est utilisée pour créer le pétrole. Un baril de pétrole brut sous sa forme synthétique ne nécessite qu'un demi-baril d'eau. De nouvelles techniques telles que la technologie pulsée et l'extraction par récupération de vapeur sont en cours d'essai.

Incidences sur l'environnement

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L'un des principaux problèmes liés à l'exploitation des sables bitumineux est l'impact environnemental de l'extraction, du traitement et de la valorisation du bitume. Voici quelques exemples  :

• Climat et air : Les émissions provenant de la production de sables bitumineux sont intensives en gaz à effet de serre car il faut plus d'efforts pour rendre le bitume utilisable, et ces émissions sont un problème croissant à mesure que la production de sables bitumineux augmente.
• Eau : l'extraction des sables bitumineux, notamment par l'exploitation à ciel ouvert, utilise une grande quantité d'eau, même avec des efforts de recyclage.
• Résidus : Au fur et à mesure que les volumes de résidus continuent d'augmenter, les problèmes qui leur sont associés vont s'accroître. Ces bassins peuvent être toxiques, peuvent s'infiltrer et s'avérer dangereux pour les organismes aquatiques.
• Les terres et la faune : Bien que le gouvernement exige davantage d'efforts de remise en état et de restauration, il se peut que la restauration complète des terres humides ne se produise jamais et que la forêt boréale ne puisse pas retrouver son état d'origine après la fermeture d'une mine. La perturbation des écosystèmes par l'augmentation de la production de sables bitumineux peut nuire aux oiseaux et à d'autres espèces sauvages.