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METHODE DE REDUCTION DE LA RETENTION D'UN AGENT DE
DEPLACEMENT ET APPLICATION A LA RECUPERATION ASSISTEE
D HYDROCARBURES
La présente invention concerne une méthode pour la réduction de la rétention d'un
agent de déplacement utilisé en récupération secondaire. Cette mé~hode consiste
principalement à traiter d'une manière particulière la matrice rocheuse par injection d'une
solution comportant nota2nment des sels de phosphates ou sulfites.
l 0 Elle concerne égalemen~ l'application de ce~te même méthode pour améliorer une
opération de récupéranon secondaire d'hydrocarbures en permettant notamment de faire
une économie sur la quantité d'agent de déplacement injecté, tout en fournissant un
contrôle de la stabilité de particules présentes dans la matrice rocheuse des réservoirs
pétroliers concernés. ces particules provenant généralement de composés argileux.
l 5 La récupération primaire par drainage naturel des gisements d'hydrocarbures
liquides peut etre assez faible, même en présence d'un aquifère actif ou d'une calotte de
gaz libre, aussi il est souvent nécessaire d'utiliser une méIhode de récupération assistée
par exemple en injectant dans la foITnation un fluide moteur.
On peut injecter de l'eau traitée pour être rendue compa~ible avec la roche
2 0 réservoir, des gaz non miscibles aux hydrocarbures, des gaz miscibles aux
hydrocarbures, des nucro-émulsions ou des fluides à base de polymères ayan~ une forte
viscosité in situ.
Tous ces procédés, bien connus de l'art antérieur, ont pour objec~if d'obtenir un
balayage le plus efficace possible de la roche réservoir contenant l'hydrocarbure. Ce
2 5 balayage consiste à repousser l'hydrocarbure vers les puits de production.
Mais ces procédés se heurtent tous, à des degrés différents en fonction de leur
sophistication, au problème de la renlabiliIé économique. En effel, comple lenu du coût
su~plémentaire représenté par les opérations d'injection et les produits injectés, qui sont
souvent non récupérables, la rentabilité de l'e~cploitation d'un lel gisement peut s'avérer
3 0 faible si ce n'esl nulle. Aussi, il sera délerminant de ne pas consommer une quantilé
importanle de ces produits coûteux.
Dans le cas où l'agent de déplacement est à base de polymères, ceux-ci sont des
additifs utilisés principalement comme produits viscosifiant du fluide de base, c'est-à-dire
l'eau. Leur action peut également agir sur les eaux de gisements.
3 5 Or ces polymères ont pour propriété de s'adsorber sur la matrice rocheuse. Cette
adsorption se manifeste par une rétention de produit sur la matrice rocheuse et a donc
pour conséquence de faire diminuer la concenrration en polymères dans l'agent de
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déplacement. De plus l'adsorprion favorise la rétenrion de l'a~ent par phénomène de
piègeage dans la matrice rocheuse. Le rapport de mobili~é de l'agent de déplacement par
rapport à l'hydrocarbure, qui dépend directement de la concentration, n'est alors
favorable que dans une zone réduite autour de la zone d'injec~ion. Pour pallier cet
S inconvénient majeur, on peur choisir d'injecrer des concenrra~ions importantes de
polymères, mais cela représenrera une ~nde consomma~ion de produit injec~é e~ le coûr
de l'opération sera prohibitif.
On connaît par le document US-A-4627494 un procédé d'injection d'un produit
chimique dans un réservoir pétrolier pour limiter les pertes de produits tensioactifs
1 0 utilisés en récupération secondaire. Mais ce procédé ne concerne que les produiîs à base
de li~nosulfonates.
Le document US-A-35~3581 décrit un Drocédé d'injec~ion d'un premier, puis
d'un second fluide, avan~ d'injecter !e fluide de d~p!~cement. Le second fluide contient
un produit pouvant notamment comporter des polyphosphates mais ceux-ci sont
1 5 uniquement destinés à désorber le premier fluide préalablement dans la roche réservoir.
Cette méthode est plus particulièrement adaptée à des réset~oirs présentant des
hétérogénéités en perrnéabilité.
Telle qu'elle est revendiquée, la présente invention concerne une méthode de
réduction de la rétention d'un agent de déplacement sur une matnce rocheuse d'un2 0 réservoir souterrain contenant un fluide, ledit agent étant adapté à déplacer ledit fluide,
ladite matrice rocheuse étant stabilisée par la présence de cations, ladite réduction étant
effectuée par le tTaitement de la matrice rocheuse par une soluion adsorbante.
Dans la présente invention, ladite solution adsorbante comporre des sels de
phosphates ou de sulfites et on augmente l'adsorprion de ladite solution par la présence
2 5 de cations à une concentration déterminée.
Ladite solution adsorbante peut comporter des sels de phosphates de sodium
Na2HP04, Na3PO4, de potassium K2HPO4, K3PO4, ou des sulfites de sodium ou
potassium.
La concentTation en sels de phosphates de ladite solution adsorbante peut être
3 0 comprise entre 0,004 Mole/litre et 0,5 Mole/litre er préférentiellement entre 0,01 et 0,1
Mole/litre.
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L~dile conc~n~ration délerminée en calions peut être comprise entre 0 5 à 2
Moles/litre.
Les cations peuvent provenir d'ions monovalents de sels de sodium ou de
poLassium.
Selon la mélhode~ on peut ~raiter la matrice rocheuse en présence des cations par
la solution adsorbante avant d'injecter l'agent de déplacement.
Mais on peut éaa'ement injecter ensemble la solution adsorbante et l'agent de
déplacement en présence des cations.
La solution de l'agent de déplacement peut comporler des ca~ions à une
concentra~ion voisine de ladite concentr;ltion dé~erminée lorsque celui-ci est injecté
séparément de la solution adsorbante.
Les solutions injec~ées dans la malrice rocheuse peuvent avoir un P~
sensiblement compris entre 4 e~ 10 e~ préféren~iellement en~re 7 et 10.
Selon la méthode de l'invention en présence d'ions calcium dans la matrice
1 5 rocheuse on peut injecter avan~ ladite soluîion adsorbante une solution de cations à ladite
concentration déterrninée.
Selon la méshode ladite solution d'un agent de déplacement peut comporter des
polyacrylamides par2ie~1ement hydrolysés ou copolymères ou hydrolysats de
polyacrylamide de haut poids moléculaire des polysaccharides type xanthane ou
2 0 scléroglucane de haut poids moléculaire ou tou~ polymère hydrosoluble synthétique ou
naturel de haut poids moléculaire par exemp~e supérieur à 1 o6 Daltons.
L'inve;ltion concerne également l'application de la précédente méthode à la
récupération secondaire d'hydrocarbures contenus dans une matrice rocheuse d'un
réservoir souterrain traversé par au moins un puits d'injection et au moins un puits de
2 5 production. Dans l!application on injecte lesdi~es solutions par ledit puits d'injection et
on produi~ les hydrocarbures par ledi~ pui~s de production.
Ladite matrice rocheuse peut comporter des argiles.
La méthode de l'invention peul être avantageusement appliquée lorsque l'eau de
formation contenue dans les pores de ladite ma~rice rocheuse compone des ions calcium.
FEUILLF DE REMPLACE~IENT
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L'idée maîtresse de l'invention est l'utilisation op~imisée de solu~ion de
phosphates ou de sulfites comlT e fluide de traitement de la roche réservoir pour réduire la
rétention de l'agent de déplacemen~ comporlant des polymères. La rétention es~ la pene
d'une certaine quantité de l'agen~ de déplacemen~, soit par adsorption, soit par piégeage.
Lequel piègeage étant favorisé lorsqu'il y a adsorption de l'agent. Toutefois, I injection
d'une telle solution dans des roches réservoirs contenant notamment des par~icules
argileuses ou non provoque une déstabilisation de ces particules.
Le processus de déstabilisation des milieux poreux est le suivant: les ions
phosphates ou sulfites s'adsorbent à la surface des minéraux en formant des liaisons
1 0 fones avec les ~roupements hydroxvles (AIOH ou SiOH) de surface. Il résulte de cette
adsorption une augmenta~ion importan~e de la charge néga~ive de surface des minéIaux et
notamment des argiles. Cette modification des propriétés de surface entraîne uneaugmentation des forces répulsives d'origine électrostatique, soit entre les parsicules
- d'argiles entre elles, soit entre ces particules et le qu~rtz ou les car~onates constiluant la
1 5 matnce du réservoir. Ces forces répulsives diminuent la cohésion de la roche et par suite
induisent une déstabilisation du milieu poreux.
Dans ces conditions, la roche réservoir court un grand risque d'être colmatée par
I'agglomération de ces particules déstabilisées qui sont alors déplacées par entraînement
au cours de l'écoulemenl de l'agent de déplacement injecté.
2 0 L'invention décrit l'adjonction de cations, préférentiellement des sels monovalent
de KCI ou NaCl à une concentration déterminée~ cette présence empêche la déstabilisasion
des particules, argileuses ou non, par la solution adsorbante comme cela est décrit plus
haut, et conjointement augmente l'efficacité de l'adsorption des phosphates ou sulfites
sur une matrice rocheuse que cel~e-ci compone des argiles, des sables ou des carbonates
2 5 En effet, les ions phosphates ou sulfites sont chargés négativement comme notamment la
sulface des sables ou des argiles. Lorsqu'on augrnente la salinilé par des cations,
préférentiellement des ions monovalents, les ions phosphates ou sulfites peuvent plus
facilement s'approcher des surfaces rninérales du fais de la diminusion (ou de l'écransage)
des répulsions électrostatiques. Les ions phosphates ou sulfites forrnent alors plus de
3 0 liaisons avec ces surfaces, c'est-à-dire qu'ils s'adsorbent plus, et de ce fait diminuent
plus fortement le nombre de sites d'adsorption possibles pour l'agent de déplacement.
Comme précisé plus haut, les cations préférés sont les ions monovalents~ mais
tout en restant dans le cadre de cette invention, d'auues cations sont admissibles, tels
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calcium ou magnésium, dans la mesure où leur concentration n'induisent pas de
précipitations des phosphates ou des sulfites.
De plus, il a été mis en évidence que la méthode de la présente invention est
indépendante de la température, ce qui permel l'utilisation efficace de celte méthode
5 quelque soit la profondeur du réservoir d'hydrocarbures.
Les solutions et les fluides en présence dans la méthode peuvent admettre des PHvariés entre 4 et 10, mais de façon préférentielle, les PH se situent au-dessus de 7.
Selon la méthode préférentielle de l'invention, la matrice rocheuse est d'abord
traitée par un volume de solution adsorban~e telle que définie dans l'invention.1 0 L'opération consiste à injec~er dans la formation un volume de solution avant l'in~ection
proprement dite de la solution comporlan~ l'agen~ de déplacement. Cette procédure
connue sous le nom de 'preflushing ', nécessi~e la dé~ermination du volume de solution
de traitement en relation avec le volume de pores de la matrice rocheuse considérée. Ce
volume de solution de traitement est en général au moins égal au volume de pores dans
1~ lequel la solution de l'agent de déplacement doit jouer son rôle de fluide moteur et
pousseur des hydrocarbures contenus dans ce même volume.
Grâce au traitement selon l'invention, la solution comportant l'agent de
déplacement conserve sensiblement ses caractéristiques et composisions initiales pendant
sa circulation dans la roche réservoir. La rhéologie (notamment la viscosité) de l'agent de
2 0 déplacement est alors plus aisément contrôlée ce qui permet d'atteindre le maximum
d'efficacité du déplacement des h,vdrocarbures par l'agent de déplacement.
On ne sortira pas du cadre de cette invention, si dans certaines conditions de
gisement el dans le but de simplif~er les opérations, on injecle en même temps la solution
adsorbante et l'agent de déplacemen~. Cette injection se faisant bien évidernrnent toujours
2 5 en présence de cations ou d'ions monovalents à la concentration déterminée pour
empêeher la déstabilisation de particules et augmenter l'action de la solution adsorbante.
Lorsque l'eau contenue dans la formation géologique contient des quantités
importantes d'ions divalents, tels de calcium ou de magnésium, on pourra injecter une
solution de cations à la concentration déterminée pour éviter la précipitation des sels
3 0 divalents de phosphates ou de sulfites. On apprécie l imponance des quantités notamment
par la proportion relative de ces ions par rapport ~ux autres en solution. Le volume
d'injection de cette solution préalable aux injections de la solution de phosphate et du
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fluide de déplacement peut e~e not3mment entre 0,2 et un volume de pore. On préférera
choisir comme cations des ions monovalents de NaCI ou KCI.
La presente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus
nettement à la descnption qui suit d'essais nullement limitatifs illustrés par les figures ci-
S annexées, parmi lesquelles:
- la figure I représente les courbes I et ~ montrant la relation de la concentration
en polymère de l'agenl de déplacement à la sorlie du miliEu poreux en fonction du volume
injecté, pour deux conditions d'essais sur un échantillon de sable argileux,
- la figure ~ représen~e é~alement deux courbes lian~ les mêmes paramètres dans
1 0 deux autres conditions d'essais sur un échantillon de grès argileux,
- la fi~ure ~ représen~e la rei~non de l'adsorption d'un polvmère en fonction de la
concentration en phosphaies et de la concentration en ions monovalents.
Le principe des expériences suivantes et de l'in~erprétation des courbes des
figures 1 et 2 est le suivant:
l S Les échantillons sont saturés à l'eau. Les volumes de solutions injectées sont
poussés à l'eau. On mesure les volumes injectés et la concentration en polymère des
solutions en sortie de l'échantillon. L'appari~ion du front de polymère s'interprète en
fonction du volume de solu~ion injecté. Si l'apparition a lieu lorsqu'on a injecté un
volume correspondant à un volume de pore~ il n'v a pas rétention. Si elle a lieu après, il y
21:) a rétention.
Exemple 1:
Trois expériences sont réalisées sur une roche réservoir constituée par un massif
.~ de sable ar_i~eux non consolidé. La perméabilité~ mesurée suivant les normes habituelles,
est de 3,6 darcy~
2 5 La première expérience a consisté à injecter dans le massif une solution de
polyacrylamide à une concen~ation de 330 ppm. La vitesse d'injection est de 0,35 m/j.
Cette solution a été préparée dans une eau faiblement salée ayant la compositionsuivante:
- so~ium: 4~ ppm,
3 0 - calcium: 40 ppm,
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- magnésium: 24 ppm,
- potassium: 11 ppm.
Le PH est de 7.
On injecte dans le massif un volume de solution égal à trois fois le volume de pore
5 dudil massif.
La courbe A de la f~gure I donne les résultats sous forrne d'une cour~e de la
concenrration relative C/Co en polymère à la sorlie du milieu poreux en fonction du
volume injecté, mesuré à la sortie du milieu poreux. Co étant la concentration initiale en
polymère injecté. L'apparition du front de polymère se fai~ au point 3, après la mesure
1 0 d'un volume de pore. Ce ~ront es~ caractérisnque d'une ré~ention importanre de polymère
dans le massif, plus le retard de l'apparition est grand par rapport à un volume de pore,
plus la rétention est ~rande.
On a confirmé et quantifié ce phénomène par bilan de matière entre l'entrée et la
sortie du milieu poreux. Ce bilan donne une rétention de 90 10 6 g de polymère par
1 5 gramrne de roche.
A la suile de cette injection, une mesure de la perméabililé du massif poreux a été
effectuée. Cette mesure conventionnelle s'effectue à l'eau avant l'expérience puis après
l'expérience. Le rapport de ces deux mesures donne une réduction de perméabilité liée à
la rétention du polymère de l'ordre de 1,4.
2 0 Celte première expérience met en évidence la perte relativement importante de
produit de déplacement notamment par adsorption sur la matrice rocheuse.
La deuxième expérience est réalisée dans les mêmes conditions que
précédemment~ mais en faisant précéder l'injeclion de polymère par une solution
adsorbante de Na2HP04 à une concentration de 0~008 molellitre. Le volume injecté de
2 5 cet~e solution est égal au volume de pore. Dès le début d'injection de la solution de
polymère à la même vitesse de 0,3~ m/j, on constate un colmatage progressif du milieu
poreux par la mesure de l'évolution des pertes de charge à travers le milieu. Ce colmatage
esl provoqué par l'agglomération d'argiles déstabilisées par la première injection de
Na2HPO4. L'injection de polymère ne peut pas ê~re poursuivie par suite de l'éclatement
3 0 du massif.
La troisième expérience es~ toujours réalisée dans les mêmes conditions que
précédemmem, mais les deux solutions de phosphat-s (Na2HPO4) et de polymère ont été
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injec~ees en milieu salé à O g/li~re de l\laCI. Les concentra~ions en phospha~e e~
polyacrylarnide restent identiques~ ainsi que la vitesse d'injection e~ le PH.
Les résul~a~s son~ représen~és par la courbe B de la figure 1. Le polymère apparaît
en 4 sensiblemen~ à 1~ mesure d'un volume de pore. Cela est caractéristique de l'absence
5 d'adsorption dans un milieu poreux.
La concentration en polymère à la sortie du milieu poreux at~eint son maximum en~, alors ~ue pour la première expérience le maximum est a~teint en 1. La surface comprise
entre les deux courbes A et B, e~ délimi~ée p~r les points 1. 2, 3, et 4, représente la
quantité de l'agent retenu dans le m~ssif comp;~ ivement entre la première ~xpérience et
1 0 la troisième.
Aucun colm~ta~e du miiieu poreu~ n ~ é~ cor,s~l~.
La rétention mesurée du pol,vmère est tres faiDle. d~ l'ordre de iO 104 g/gramme.
La réduction de perméabili~é après passage du polymère est de l'ordre de 1,1.
Cette expérience met en évidence que les argiles ne sont plus déstabilisés par
15 l'injection de la solution de phosphate, qu'ils n'ont pas été déplacés et agglomérés par
l'injection du fluide déplaçant, puisque la réduction de perméabilité est faible.
Cette expérience prouve également qu'il v a diminution de la rétention de
polymère comparativement à la première expérience. Cela confirme l'efficacité de la
méthode selon l'invention.
2 0 Exemple 2:
Cette expérience illustre la mé~hode appliquée à un massif de grès argileux
componant des sables et environ 5 % d'illite. La perméabilité mesurée est de 640 mD.
Les injections de la solution de phosphate et de polymère ont toutes deux lieu en milieu
salé NaCI à une concentration de 20 g/l.
2 5 La soluion de phosphate Na2HP0~ a une concentration de 0,01 mole/litre. La
solution de polyacrylamide a une concentration de 330 ppm.
On injecte dans le massif sous un volume ~Jal à L5 fois le volume de pore, la
soluion de phosphate à une vitesse de 0.5 m/j.
FEUILLE DE REMPLACEMENT
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On observe sur les résultats représentés par la courbe D de la figure 2, une
absence pratiquement totale de rétention de polymère comparativement à la même
injection sans phosphate représentée par la couroe C de la figure 2. De même que dans la
troisième expérience du premier exemple, I'arrivée du front de polymère en 5 prouve
5 l'absence de rétenlion.
Une réduclion de perméabililé esl mesurée inférieure à 1~1 après balayage à l'eau.
La méthode est donc appliquée avec les mêmes résultats dans une roche de
perméabililé beaucoup plus faible que celle du premier exemple.
Exemple 3:
1 0 Cetle expérience met en évidence la rétention par d'adsorption d'un polymère
polyacrylamide partiellement hydrolysé à un taux de 30% sur une kaolinite. L'adsorption
est mesurée en fonction de la concentration en sel NaCI et en fonction de la concentration
en phosphate Na2HP04. Les mesures ont été failes sur les particules de kaolinile en
utilisant la méthode des restes. Le polymère est dosé par mesure du carbone organique en
1 5 solution. Les mesures sont effectuées à la température de 30c.
Sur les courbes de la figure 3, I'adsorption du polymère est donnée en
milligramme par gramme en ordonnée, et la concentration en phosphate est donnée en
mole par litre en abscisse. La courbe E est tracée pour une concentration de 5 grarnmes
par litre de sel NaCI. La courbe F est tracée pour une concentration de 20 grammes par
2 0 litre de NaCI. La courbe G est tracée pour une concentration de 50 grarnmes par litre de
NaCI.
On constate que pour toutes les concentrations en phosphate choisies pour
l'expérimentation. l'efficacité de la solution adsorbante est augmentée avec
l'augmentation de la concentration en sel de sodium.
2 5 On constate également la réduction importante de l'adsorption du polymère par la
présence de phosphate. Dans cette expérience la concentration optimale de phosphate est
sensiblement 0,08 mole par litre.
FEUILLE DE REIVIPLACEM~NT
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