PRODUCTION OF HEAVY OILS BY DEPRESSURIZATION: STUDY OF OIL-AIR INTERFACES AND PROCESS MODELLING.
PRODUCTION D'HUILES LOURDES PAR DÉPRESSURISATION : ÉTUDE DES INTERFACES HUILE-AIR ET MODÉLISATION DU PROCÉDÉ
Résumé
This thesis is an experimental and theoretical contribution to the modeling of the crude oil production in petroleum reservoirs under depressurization. Oil is produced under the bubble point in order to take advantage of gas expansion to displace the oil phase, a process called « solution gas drive ». So far, existing reservoir simulators are able to simulate such a mechanism only for light oils. For heavy oils, there is a problem due to the high viscosity and the physicochemical properties of the oils. Standard numerical simulators can account neither for out of equilibrium mechanisms, nor flow of a dispersed gas phase. A large number of studies have been published, especially at pore level, but a literature study shows the need for a model described by continuous equations (Darcy's approach). The experimental study of physicochemical properties (dynamic surface tension, surface elasticity) of the crude components show that asphaltenes can act as a surfactant which enhance foam production above a concentration threshold. A continuum model has been developed, based on the physical mechanisms and involving only measurable variables. Gas nucleation and mass transfer are modeled using a volumic transfer function, nucleation being described by preexisting bubbles. Gas can be present either as a continuous phase or as bubbles dispersed in the oil phase. The simulations of several experiments with various rocks and fluids had proven that the model can predict the amount of oil and gas produced during the experiments.
La thèse est une contribution expérimentale et théorique à la modélisation d'écoulements de bruts pétroliers produits par dépressurisation du réservoir. Il s'agit de produire l'huile en dessous du point de bulle et de profiter de l'expansion de la phase gaz pour déplacer l'huile (procédé appelé "Solution Gas Drive"). Jusqu'à présent les simulateurs de réservoir permettaient la simulation d'un tel mécanisme pour les huiles légères. Un problème se pose avec les huiles lourdes dont la forte viscosité et la physico-chimie intensifient l'état hors d'équilibre dû au mécanisme de changement de phase. Les simulateurs numériques classiques ne prennent pas en compte ce type de mécanisme hors équilibre, ni l'écoulement du gaz sous forme dispersée. Bien qu'un grand nombre de travaux aient déjà été réalisés essentiellement à l'échelle des pores, l'étude bibliographique montre qu'il est nécessaire d'avoir un modèle décrit par des équations continues (approche de Darcy). L'étude expérimentale des propriétés physico-chimiques (tension dynamique, élasticité de surface) des principaux constituants des bruts montre que les asphaltènes ont un effet tensioactif favorisant la formation de mousse au dessus d'une concentration seuil. Enfin, l'étude théorique des différents processus physiques permet d'établir un modèle d'écoulement continu, ne faisant intervenir que des grandeurs macroscopiques mesurables. La nucléation et le transfert de masse sont modélisés par une fonction volumique de transfert, la nucléation étant basée sur le modèle de bulles préexistantes. Deux phases gaz peuvent coexister : l'une continue à l'échelle du milieu, l'autre dispersée dans l'huile sous forme de bulles. Les simulations de plusieurs expériences, réalisées avec des roches et des fluides différents, montrent que le modèle permet d'interpréter et de prédire les productions de gaz et d'huile.