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METHODE POUR MODELISER DES CONDITIONS DE FLOCULATION
D'ASPHALTENES DANS DES FLUIDES HYDROCARBONES APPARENTES A
UN FLUIDE DE REFERENCE
La présente invention concerne une méthode pour modéliser la floculation
d'asphaltènes de
fluides hydrocarbonés durant une phase de déplétion.
La méthode selon invention permet de fabriquer un outil informatique de
prédiction de
risques de floculation d'asphaltènes aisément intégrable dans un simulateur
industriel. Il
peut s'agir par exemple, d'un simulateur de réservoir qui est l'une des pièces
maîtresses
utilisée par les opérateurs pour évaluer la production de champs pétroliers ou
gaziers, sa
durée de vie et son mode de production (primaire, secondaire ou tertiaire). Il
peut
également s'agir d'un. simulateur de bassin. Ces simulateurs sont conçus pour
prévoir le
comportement d'un champ, ou d'une région pétrolifère sur une longue période.
La qualité
des simulateurs repose sur leur capacité à reproduire au mieux les différents
phénomènes
physiques intervenant lors de la production d'hydrocarbures, tels que par
exemple : la
nature et la composition des différentes phases en présence, l'écoulement des
flux de
matière ainsi que les interactions des fluides avec le milieu poreux formant
le réservoir.
Les simulateurs du marché sont équipés pour prédire l'évolution de nombreux
phénomènes
possibles. Cependant il en est un qui est actuellement difficilement pris en
compte, c'est la
floculation des asphaltènes.
Etat de la technique
Les asphaltènes sont les composants les plus lourds et les plus polaires d'une
coupe
pétrolière. Un fluide pétrolier est en effet une suite continue
d'hydrocarbures (alcanes,
naphtènes, aromatiques). Les asphaltènes sont définis, selon la norme
française AFNOR T
60-115, comme la fraction d'un fluide pétrolier qui flocule (précipite) dans
le n-heptane et
qui est soluble dans le benzène. E s'agit donc d'une classe de solubilité. Ces
asphaltènes
floculent sous l'effet de trois facteurs : variation de température, de la
pression ou de la
composition chimique. La Fig.1 montre le comportement d'un brut asphalténique
en
pression.
Cette courbe présente la quantité d'asphaltènes dans le fluide liquide après
une éventuelle
floculation. Lorsque la pression diminue, la quantité d'asphaltènes chute,
preuve de la
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floculation d'une partie des asphaltènes. La floculation est maximale (et la
quantité
d'asphaltènes dans le liquide minimale) lorsque la pression de bulle
(apparition de la
première bulle de vapeur) est atteinte. En deçà de cette pression,
l'apparition d'une phase
vapeur riche en alcanes, donc en produits floculants, permet au liquide d'être
de nouveau
accueillant vis à vis des asphaltènes.
La modification de la composition du fluide peut également induire le
phénomène de
floculation. L'ajout d'alcanes légers va produire une floculation des
asphaltènes tandis que
l'ajout d'aromatiques va permettre de les stabiliser dans le brut.
Lors de la production d'un puits, le fluide hydrocarboné subit des variations
de pression, de
température et de composition. Il est donc susceptible de floculer. Cette
floculation va se
traduire par un dépôt d'asphaltènes dans les pores du réservoir, ce qui a pour
conséquence
une modification de la porosité du milieu, de sa perméabilité et finalement de
la production
d'hydrocarbures. Dans les cas ultimes, cette floculation peut induire le
colmatage des pores
et provoquer l'arrêt du puits. Il est donc important de pouvoir prédire ce
phénomène.
Les publications suivantes sont représentatives de l'état de l'art:
- Hirschberg L., De Jong B., Schipper J., Meijer J., SOC. Pet. Eng. J., June,
283 paper n
11202, 1984;
- Mansoori G., Jiang T., 3rd European Conférence on Enhanced Oil Recovery,
Rome,
April 1985; ou
- Szewczyk V., Béhar E., Compositional model for predicting asphaltenes
flocculation,
Fluid Phase Equilibria, 156-160, p. 459-469, 1999.
Aucun des nombreux modèles de floculation décrits dans la littérature ouverte
ne possède
de caractère prédictif. A la base, toutes ces représentations considèrent un
modèle classique
pour représenter le comportement liquide - vapeur du fluide hydrocarboné. La
floculation y
est décrite mais il n'existe pas de moyens de prédire le phénomène de
floculation. Certains
modèles considèrent les asphaltènes comme des particules solides en suspension
dans le
brut et la floculation est représentée par un modèle colloïdal. Dans une autre
approche
thermodynamique, les asphaltènes sont considérés comme une nouvelle phase
liquide. Il
s'agit donc de gérer l'apparition d'une phase liquide ou solide selon les
auteurs ci-dessus
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mentionnés. L'ensemble de ces modèles demande des données expérimentales
telles que
celles de la Fig. 1 pour être employé par exemple.
Pour rendre compte de la variation de pression et de composition, deux
approches peuvent
être envisagées. La première consiste à avoir un modèle compositionnel du
fluide assez
détaillé et une courbe de floculation. Il est alors possible d'extrapoler le
modèle dans le
domaine voisin de celui du calage du modèle. La seconde méthode consiste à
déterminer
des courbes de floculation en fonction de la pression pour différentes
compositions de
fluide afin de pouvoir générer un réseau de courbes de floculation dans le
domaine
d'intérêt. Ces deux approches s'avèrent inutilisables dans la pratique dans le
cadre des
logiciels de simulation industriels. La première approche est difficilement
envisageable car
elle demande d'inclure dans ces simulateurs un modèle compositionnel détaillé
du fluide,
ce qui s'avère très coûteux en temps de calcul. La deuxième approche est
également trop
coûteuse mais cette fois en temps d'expérimentation ; l'acquisition de données
de
floculation sous pression est longue et délicate et il n'est pas envisageable
d'accumuler les
courbes pour un nombre élevé de compositions de fluides.
La méthode selon l'invention
Nous proposons ici une méthode alternative qui permet, à partir des résultats
d'une étude
expérimentale de floculation sous pression d'un fluide de référence unique et
de lois
d'homothétie, de déduire très simplement les courbes de floculation sous
pression de
fluides apparentés, issus du fluide de référence. Ces fluides apparentés sont
issus de la
déplétion du fluide de référence. La méthode selon l'invention permet
l'intégration d'un
modèle de floculation dans un simulateur industriel selon un modèle simplifié.
Ces lois
d'homothétie peuvent être obtenues en utilisant un modèle compositionnel
détaillé ou à
l'aide de lois plus générales selon le degré d'incertitude que l'on accepte.
La méthode selon l'invention consiste donc à étudier expérimentalement un
fluide
asphalténique sous pression afin d'en déduire son comportement précis. Il est
alors
possible de réaliser une modélisation de ce fluide, puis une étude sur ce
modèle qui conduit
à définir les paramètres d'homothétie nécessaires à la prédiction des courbes
de floculation
de fluides apparentés. C'est ce modèle simple d'homothétie, ainsi que la
courbe
expérimentale du fluide de référence, qui sont ensuite insérés dans un
simulateur industriel.
On peut alors prédire les quantités d'asphaltènes floculés pour des conditions
de pression
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et de composition variables. Par exemple, dans un simulateur de réservoir, ces
dépôts
asphalténiques vont conduire à une modification de la perméabilité du
réservoir et à une
modification de la production, La prise en compte de la floculation des
asphaltènes va donc
permettre de mieux simuler la vie du gisement d'hydrocarbure et de la
productivité des
puits par exemple.
La méthode selon l'invention peut aisément être traduite sous la forme d'un
module de
traitement (pré-processeur) adapté à générer une bibliothèque de courbes de
floculation
sous déplétion à partir d'une courbe expérimentale. Dans un simulateur de
réservoir, ce
pré-processeur peut être spécifique à chaque champ étudié, d'autant plus que
la courbe de
floculation du fluide de référence est extrapolable dans des conditions
proches du calage,
ou bien plus générique à partir de l'analyse d'un nombre plus important de
champs
pétroliers. En effet, le réseau de courbes peut être, par exemple, normé par
la pression de
bulle et les quantités d'asphaltènes. Les formules d'homothétie obtenues alors
sont tout à
fait généralisables et extrapolables d'un fluide pétrolier à un autre.
En d'autres termes, la méthode selon l'invention permet de modéliser les
conditions de
floculation sous pression de fluides hydrocarbonés apparentés issus d'un
fluide de
référence comportant une mesure expérimentale de la courbe de floculation sous
pression du fluide de référence.
L'invention telle que revendiquée vise donc plus précisément une méthode
d'optimisation de l'exploitation d'un champs ou d'un gisement pétrolier par
une
détermination des risques de floculation d'alphaltènes dans un fluide de
référence
en modélisant les conditions de floculation de fluides hydrocarbonés sous
pression
pour des fluides apparentés issus d'une détente de pression ou déplétion dudit
fluide
de référence, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes:
- on mesure expérimentalement la courbe de floculation sous pression du fluide
de référence;
- on définit des lois d'homothétie permettant d'accéder aux courbes de
floculation correspondantes des fluides apparentés;
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on intègre les lois d'homothétie et la courbe de floculation sous pression du
fluide de référence dans un simulateur industriel selon un modèle composi-
tionnel simplifié;
on détermine les risques de floculation des asphaltènes dans le fluide de
référence au cours de traitements imposant des modifications de pression, en
utilisant ledit simulateur industriel; et
on optimise l'exploitation du champ ou du gisement pétrolier en fonction des
risques déterminés de floculation des asphaltènes dans le fluide.
Suivant un premier mode de mise en oeuvre dans laquelle on détermine des lois
1o d'homothétie par les étapes suivantes:
- on applique au fluide de référence un modèle compositionnel détaillé pour
déterminer son comportement asphalténique;
- on simule des compositions de fluides apparentés, issus du fluide de
référence;
on simule des compositions de fluides apparentés, issus du fluide de référence
;
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- on détermine un ensemble ou bibliothèque de courbes de floculation des
fluides
apparentés en utilisant le modèle ;
- on définit des paramètres d'homothétie nécessaires à la prédiction à partir
de la
bibliothèque de courbes de floculation des fluides apparentés.
5 Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on détermine des lois d'homothétie
en utilisant
un modèle général de lois d' homothétie utilisant des normes telles que la
pression de bulle
et les quantités d'asphaltènes maximales floculées ou toute autre grandeur
macroscopique
facilement accessible à l'expérimentateur.
La méthode comporte par exemple l'application des données de floculation à un
simulateur
industriel pour déterminer des conditions d'apparition de la floculation.
La méthode permet également de déterminer l'impact de la floculation sur les
propriétés
physico-chimiques du milieu environnement le fluide.
On peut déterminer les risques de floculation des fluides apparentés par
exemple en
appliquant des données de floculation à un simulateur industriel appliquant un
modèle
compositionnel simplifié.
Par la méthode, on peut également déterminer la variation de perméabilité du
réservoir.
Par application de la méthode, en utilisant les propriétés homothétiques des
courbes de
floculation, on peut éviter de longues et fastidieuses séries d'études des
fluides apparentés
résultant de détentes ou déplétions appliqués à des fluides sous pression
susceptibles de
floculer.
Présentation sommaire des figures
Les caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon
l'invention,
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un
exemple non
limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
- la Fig.1 montre l'allure d'une courbe de floculation sous pression ;
- la Fig. 2 schématise la méthode selon l'invention ;
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- la Fig. 3 montre le fractionnement d'un fluide pétrolier selon le protocole
d'analyse
décrite par Szewczyk et Béhar ;
- la Fig.4 montre l'allure de réseau de courbes de floculation d'un premier
brut pétrolier ;
- la Fig.5 montre l'allure de réseau de courbes de floculation d'un deuxième
brut
pétrolier ;
- la Fig.6 montre des exemples de courbes de floculation pour un fluide de
référence et
deux fluides apparentés associés lorsqu'ils sont produits à une pression
supérieure à la
pression de bulle ; et
- la Fig.7 montre des exemples de courbes de floculation pour un fluide de
référence et
deux fluides apparentés associés lorsqu'ils sont produits à une pression
inférieure à la
pression de bulle.
DESCRIPTION DETAILLEE
Un organigramme de la méthode selon l'invention est indiqué sur la Fig. 2.
Dans un
premier temps, on mène une étude expérimentale du fluide de référence. Ce
dernier peut
être un fluide de gisement, un fluide de réservoir, un résidu lourd ou tous
autres mélanges
d'hydrocarbures pouvant induire une floculation des asphaltènes sous pression.
En sus de
l'étude classique PVT, il faut accéder à des données de floculation sous
pression, c'est-à-
dire mesurer la quantité de dépôt d'asphaltènes selon la pression. Cette étude
peut être par
exemple menée par filtration sous pression du fluide de gisement. Pour
modéliser le
comportement asphalténique de fluides apparentés, (autrement appelé fluide
père dans le
cours de la description) issus de détente du fluide de référence (ou fluide
fils, idem), on
applique ensuite des lois d'homothétie. Ces lois peuvent être obtenues de deux
manières
comme on va le voir ci-après.
1) Lois d'homothétie en utilisant un modèle compositionnel
A partir des données expérimentales obtenues sur ce fluide de référence, il
est possible de
réaliser sa modélisation d'un point de vue asphalténique, en utilisant un
modèle
compositionnel détaillé.
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On peut par exemple employer le modèle proposé par Szewczyk et Béhar (1999)
dans la
publication déjà citée. Ce modèle s'appuie sur une description détaillée du
fluide telle que
fournie par la figure 3. Pour les hydrocarbures de la fraction F6, chaque
molécule est
parfaitement bien identifiée. Pour la fraction d'hydrocarbures entre F6 et
F10, chaque
famille d'isomères est représentée par une molécule type. Pour la fraction Fil-
F20, un
pseudo constituant est caractérisé à partir de données analytiques et de
méthodes de
contribution de groupes. Enfin, les quatre fractions F20+: saturés,
aromatiques, résines et
asphaltènes sont représentées par un pseudo composé chacune dont les
propriétés sont
fournies par des méthodes de contributions de groupes. Ce modèle
compositionnel est
ensuite couplé à des calculs d'équilibre de phase liquide - liquide - vapeur.
L'apparition
d'une seconde phase liquide représentant la phase asphaltènes. Pour calculer
ces équilibres,
ces auteurs utilisent l'équation de Peng et Robinson couplée aux lois de
mélange d'Abdoul
et Péneloux, toutes bien connues des gens de l'art, soit:
P = RT - a(T)
v - b v(v + y b)
avec v : le volume molaire non corrigé
b : le covolume
a(T) : le paramètre d'interaction
De manière standard, P est la pression du système, T sa température, R est la
constante des
gaz parfaits et y est une constante valant 4,82843 pour l'équation de Peng et
Robinson.
L'expression de a(T) s'écrit sous la forme suivante :
a(T) = a(TC) a(TR,w)
avec :
a(Tc) =0,45724 RzTC a(TR,w) _ (1+m(1-TR.4as))2
PC
1,12754 + 0,51725w - 0,0373& -1 T
lit T = 0'445 R -
- T C
c
Le covolume est défini selon :
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b 0,04557 pTc
c
Le volume molaire "vrai", V, s'obtient grâce à une translation de volume c
selon :
V=v-c
otù :
c = 0,08315 - 0,4406,,) RTE
PC
ZRA est le facteur de compressibilité de Rackett.
L'ensenible de ces définitions est valable pour des corps purs. Pour un
mélange, chaque
corps i possède ces propres propriétés critiques, a,, b,, c,, définies comme
ci-dessus. Pour
considérer l'ensemble du mélange comme un unique constituant obéissant au même
formalisme, des règles de mélanges sont appliquées aux propriétés critiques
des corps purs
pour acquérir les paramètres globaux du système a, b, c. Dans ce modèle, les
lois d'Aboul
et Péneloux sont employées. Les références suivantes fournissent les détails
de ce modèle :
- Abdoul, W., 1987, Une méthode de contribution de groupes applicable à la
corrélation
et la prédiction des propriétés thermodynamiques des fluides pétroliers, Thèse
de
l'université d'Aix-Marseille III, France; et
- Péneloux, A., Abdoul, W. And Rauzy, E., 1989, Excess functions and équation
of state,
Fluid Phase Equilibria, 47, 115.
Connaissant la modélisation thermodynamique du fluide de référence, on peut
alors
générer les compositions détaillées de fluides apparentés, issus de détente.
On peut ensuite
étudier ces fluides apparentés du point de vue de la floculation des
asphaltènes avec le
modèle thermodynamique. On génère ainsi une bibliothèque de courbes de
floculation sous
pression pour le fluide de référence et les fluides apparentés. L'étape
suivante consiste à
déterminer des lois de variation assez générales de l'ensemble de la
bibliothèque. Par
exemple, ces lois peuvent être des fonctions polynomiales de la pression de
bulle, du
rapport gaz-huile (Gas-Oil-Ratio) ou toute autre grandeur opératoire
accessible facilement
à l'expérimentateur.
Sur différents fluides, on a observé que l'ensemble des courbes de floculation
forment un
réseau de courbes homothétiques ; les Fig.4 et 5 qui montrent l'évolution du
taux
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d'asphaltènes floculés avec la pression dans le cas de deux fluides subissant
des
expériences de différentielles (libération d'un gaz associé lors d'une
détente) illustrent ces
résultats.
2) Lois d'homothétie générales
L' application de la méthode proposée dans le paragraphe précédent sur
plusieurs fluides a
montré que les réseaux de courbes peuvent être normés par la quantité
d'asphaltènes
présentes et par la pression de bulle. Cela nous conduit à proposer des lois
d'homothétie
plus générales, capables de représenter les courbes de floculation. sous
pression de fluides
apparentés. Par exemple, nous considérons une courbe donnant les asphaltènes
floculés en
fonction de la pression (courbe du fluide de référence de la Fig.6). Pour une
pression P
comprise entre la pression seuil (P seuil) de floculation et la pression de
bulle, le fluide de
référence va conduire à la création d'un dépôt d'asphaltènes et d'un fluide
apparenté. Si
l'on n'ajoute pas d'asphaltènes à ce fluide apparenté, il aura la pression P
comme pression
de seuil de floculation. En supposant que la quantité d'asphaltènes n'influe
pas sur la
pression de bulle, le fluide apparenté possède donc la même pression de bulle
que le fluide
de référence. A ce stade, il existe deux manières de calculer le maximum de la
courbe de
floculation du fluide apparenté. La première consiste à écrire que :
max = quantité floculée max père - quantité floculée
quantité totale asph. père - quantité floculée
La seconde voie considère que la pente de la courbe d'asphaltènes floculés en
fonction de
la pression est conservée d'où :
max = quantité floculée max père - quantité floculée
Si le fluide apparenté entre en contact avec de nouveaux asphaltènes, on peut
alors calculer
la quantité maximale d'asphaltènes floculés de la manière suivante :
quantité floculée max père - quantité floculée + asph. sup pl.
max=
quantité totale asph. père - quantité floculée + asph. sup pl.
Dans ces conditions, on conserve la pente de la courbe de floculation du
fluide de référence
pour estimer la pression seuil de floculation. Pour les pressions inférieures
à la pression de
bulle, on fait une homothétie à partir de cette pression de bulle et de la
quantité maximale
d'asphaltènes. La figure 6 résume cette possibilité de modélisation.
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Supposons maintenant que la détente du fluide initial se fasse à une pression
inférieure à la
pression de bulle. Le fluide apparenté produit possède donc une pression de
bulle égale à la
pression de détente. Si on n'ajoute pas d'asphaltènes à ce fluide, il est
stable pour des
pressions supérieures à sa pression de bulle. En deçà de sa pression de bulle,
le fluide est
5 également stable vis à vis des asphaltènes : en diminuant sa pression, on va
continuer à
libérer des floculants et donc rendre le fluide de plus en plus solvant vis à
vis des
asphaltènes. En revanche, si des asphaltènes sont ajoutés, le nouveau maximum
de la
courbe de floculation est calculé selon :
asph. sup pl.
max=
asph. soluble + asph. sup pl.
10 On conserve les mêmes pentes que le fluide de référence pour obtenir les
seuils de
floculation. La figure 7 présente ces deux cas.
Les lois d'homothétie, définies ci-dessus, permettent donc de restituer un
ensemble de
courbes de floculation pour des fluides apparentés à partir de la courbe
expérimentale du
fluide de référence. Cette approche est tout à fait intégrable dans un
simulateur industriel
où l'on ne possède pas les informations nécessaires à une représentation
détaillée : les
fluides sont souvent décrits de manière simplifiée comme comportant seulement
quelques
constituants : de l'eau, un constituant hydrocarbure lourd et un constituant
hydrocarbure
léger par exemple (modèle dit "Black-oil"). En revanche ces approches
contiennent les
informations de bilan de matière et de pression de bulle et la méthode selon
l'invention
peut parfaitement s'intégrer dans cette démarche. Les problèmes de temps
calcul évoqués
plus haut pour des modèles compositionnels complexes ne sont pas présents. La
seule
donnée expérimentale obligatoire de ce modèle est la courbe de floculation
sous pression
du fluide de référence. Il est ainsi possible d'estimer les courbés de
floculation sous
pression des fluides apparentées issus de déplétion.
La méthode permet de déterminer les quantités d'asphaltènes qui floculent aux
différents
stades de développement d'un champ ou d'un gisement par exemple.
Cette information est alors directement utilisable par exemple pour modéliser
la
modification de porosité du réservoir ou du gisement. En utilisant des
équations classiques
de type Karman-Kozerny bien connues des spécialistes, la variation de
perméabilité du
milieu peut être prédite. Cela a un impact direct sur la production du champ.
