Cours Stimulation Reservoir [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITÉ KASDI MERBAH DE OUARGLA

MASTER RESERVOIR ENGINEERING

COURS DE STIMULATION DES RESERVOIRS --------------------------------------

ANNÉE SCOLAIRE 2016-2017

INTRODUCTION

L’exploitation d’un gisement d’hydrocarbures conduit inévitablement à une diminution de la production des puits. Ce phénomène est provoqué soit par une déplétion naturelle ou par un endommagement de la couche productrice, particulièrement aux abords du puits. L’endommagement peut avoir plusieurs origines et se manifeste par une réduction de la perméabilité relative à l’huile. Ce phénomène est le résultat du colmatage de la matrice par des dépôts de matières minérales et organiques ou d’une inversion de la mouillabilité de la roche réservoir. Les différentes causes de l’endommagement sont : A- COLMATAGE 1- Durant la phase forage : a- Broyage de la roche réservoir avec pulvérisation et compactage des particules entrainant une obturation des canaux. b- Pénétration des matières en suspensions des fluides de forage ou de complétion dans la matrice. c- Introduction du filtrat de la boue de forage ou du fluide de complétion dans la formation pouvant entrainer l’apparition d’un Water block autour du puits ou une altération de la mouillabilité de la roche réservoir. d- Manœuvres brutales du train de sonde (effet de pistonnage en descente et dépression en remontée). 2- Durant la phase complétion a- Cimentation des cuvelages et leur restauration : - Fracturation du terrain suite à une densité trop élevée du ciment ou à une manœuvre brutale de la colonne. - Le ciment peut provoquer les mêmes endommagements que les fluides de forage (dépôts solides et water block). b- Les fluides de complétion provoquent des endommagements identiques à ceux des boues de forages. (dépôts, altération de la mouillabilité et water block) c- Manœuvres brutales du matériel dans le puits 3- Durant la phase d’exploitation a- Dépôts de matières minérales : Sels solubles (chlorures), de sels peu solubles (sulfates et carbonates de calcium et magnésium ainsi que les produits de la corrosion du fer des équipements). Dépôts de sable, fines, plaquettes et fibres d’argile, silt, silicates, carbonates … b- Dépôts de matières organiques. Matières organiques dispersées dans l’huile de gisement. Elles sont constituées d’asphaltènes, de paraffines, de résines et de cires. Ces matières ont un double effet : Elles réduisent les dimensions des canaux et altèrent la mouillabilité des parois des pores et capillaires des roches réservoirs. Ces dépôts sont provoqués par une chute des paramètres thermodynamiques, température et pression, par une variation de la salinité et un abaissement brutal du pH des effluents de la formation.

4- Durant la stimulation des réservoirs Les fluides utilisés lors de la stimulation peuvent provoquer des réactions secondaires avec les constituants des roches réservoirs, les sels et les effluents du gisement. Aussi, des additifs mal sélectionnés peuvent engendrer un colmatage des formations. B- INSTALLATIONS MAL CONÇUES 1- Mauvais dimensionnement du tubing 2- Réseaux de collecte inadéquats en surface 3- Pression de séparation trop élevée. Dégazage mal réglé avec entrainement d’huile avec les gaz torchés.

La stimulation : La stimulation est une opération technique au cours de laquelle des moyens chimiques ou mécaniques sont mis en œuvre afin de : - restaurer la productivité du puits si celle-ci s’est réduite - améliorer la productivité du puits qui était à l’origine mauvaise Pour stimuler un réservoir différentes techniques sont utilisées. 1- Lavage à l’eau douce (dissolution des sels minéraux comme les chlorures) 2- Lavage au solvant aromatique (dissolution des asphaltènes, paraffines, résines et cires) 3- Acidification par HCl et HF (dissolution des sels peu solubles et des quartz – silicates) 4- Fracturation hydraulique (traitement profond de la matrice) 5- Fracturation à l’acide ( double effet de l’acide et fracturation ) --------------------------------------------------------------------------------------------

II-

LES PHÉNOMÈNES CAPILLAIRES A- LES FORCES INTERMOLÉCULAIRES Pour une liaison entre deux atomes d'électronégativités différentes, il apparaît des charges partielles +δ et -δ, rendant l'atome le plus électronégatif nucléophile et l'autre électrophile. Un atome nucléophile est un composé chimique attiré par les espèces chargées positivement, par opposition à un composé électrophile.

Un dipôle électrostatique se définit par une répartition hétéroclite de charges électriques telles que le barycentre des charges positives ne coïncide pas avec celui des charges négatives. Le dipôle le plus simple est donc un couple de deux charges de signe opposé distantes d'une longueur a non nulle quelconque.

Un dipôle peut être permanent, par exemple une molécule polaire, ou bien induit, par exemple un nuage électronique qui se déforme sous l'action d'un champ extérieur (comme pour la diffusion )

Les forces intermoléculaires sont des forces de nature essentiellement électrostatique induisant une attraction ou une répulsion entre des particules chimiques (atomes, molécules ou ions).

Dans ces forces intermoléculaires, on distingue : 1-

Les forces de Van der Waals, de nature électrostatique, qui recouvrent plusieurs types d'interactions : a- forces dipôle–dipôle ou forces de Keesom (effets d'orientation) ; Les forces de Keesom résultent d'une interaction intermoléculaire entre dipôles permanents. b-

forces dipôle-induit dipôle ou forces de Debye, (effets d'induction) ; Les forces de Debye sont les

forces intermoléculaires résultants de l'interaction entre un dipôle permanent et un dipôle induit. Tous les atomes et molécules sont polarisables ; cette polarisabilité résulte de la déformation du nuage électronique due à la présence d'un champ électrique. Ce champ électrique peut être externe ou généré par la molécule polaire. c- forces instantanées dipôle-induit dipôle-induit ou forces de London (effets de dispersion) ; Les forces de dispersion de London sont des forces faibles intermoléculaires créées par des dipôles induits. Elles représentent en général la composante la plus importante des forces de Van der Waals. Les forces de London existent du fait que la densité électronique des molécules est probabiliste : il y a une forte chance à tout moment pour que celle-ci ne soit pas équitablement répartie à travers la molécule, ce qui crée un léger moment dipolaire

forces ion–dipôle ; 2- Les liaisons hydrogène d'intensité plus élevée et de nature partiellement covalente ; La liaison hydrogène d-

ou pont hydrogène est une force intermoléculaire impliquant un atome d'hydrogène et un atome électronégatif comme l'oxygène, l'azote et le fluor. L'intensité d'une liaison hydrogène est intermédiaire entre celle d'une liaison covalente et celle des forces de van der Waals. 3- Les liaisons halogène : La liaison halogène (XB) est une liaison de nature proche de la liaison hydrogène (HB). Elle s'établit entre les atomes d'halogènes électrodéficients (appauvris en densité électronique), facilement polarisables tels que l'iode (I) et le brome (Br), et les entités riches en densité électronique comme les dérivés azotés et oxygénés (amines, éthers, amides, etc). Les applications pratiques et potentielles de la liaison halogène sont aussi vastes que celles de son analogue, la liaison hydrogène.

B- LA TENSION INTERFACIALE

Les deux schémas ci-dessus représentent les forces qui agissent sur les molécules plongées dans un liquide, et sur celles qui sont au voisinage de sa surface libre Les molécules se trouvant à la surface du liquide sont soumises à des forces intermoléculaires dissymétriques. Elles ont

Sur la surface du liquide, ces tensions sont limitées à la demi sphère située sous la surface. Il s’ensuit que la résultante de ces forces ne peut pas être nulle. Cette résultante est nécessairement dirigée vers le bas, puisque (sauf s’il y a évaporation) le liquide ne s’échappe pas du récipient. Ce phénomène se traduit par l’apparition d’une tension de surface caractéristique de chacun des liquides. On peut dire qu’il se forme un film de molécules en surface qui n’a pas plus tout à fait la même structure que celle que l’on retrouve au sein du liquide une tendance à être attirées vers l’intérieure du liquide.

. Appelée tension de surface ou énergie d'interface ou bien encore énergie de surface la tension superficielle est une force qui existe au niveau de toute interface entre deux milieux différents (entre un solide ou un liquide et un gaz). La tension entre des milieux identiques: deux solides, deux liquides, ou également entre un liquide et un solide est généralement appelée: la tension interfaciale. verre à ras bord avec la notion de capillarité La tension superficielle est le travail nécessaire qu’il faut fournir pour augmenter la surface d’un corps d’une unité de manière réversible.

L'unité de mesure de la tension superficielle est: N/m qui est équivalent aux (J/m2), erg/cm2 ou (dyne/cm). On notera que la tension superficielle diminue lorsque la température augmente : cela s’explique par le fait que les forces de cohésion intermoléculaires sont réduites par l’agitation thermique C- MOUILLABILITÉ – ANGLE DE CONTACT La Mouillabilité c’est l’aptitude de la surface d'un matériau à se laisser mouiller par les liquides; c’est aussi la faculté pour une substance solide de recevoir un liquide en lui permettant de s'étaler sur la surface la plus grande possible``

De façon générale, lorsqu'un liquide est mis en contact avec la surface d'un solide, il se forme un angle de raccordement du premier sur le second. Lorsque le mouillage est parfait, l'angle de raccordement devient nul. Dans ce cas l'énergie d'adhésion est maximum.

Pour un système liquide-solide donné, le mouillage dépend de la pression, de la température, de l'hygrométrie, ...

Le mouillage d'un liquide sur un solide désigne d'une part la forme que prend le liquide à la surface du solide (mouillage statique) et la façon dont il se comporte lorsqu'on essaie de le faire couler (hystérèse, ancrage, mouillage dynamique). Ces comportements découlent des interactions intermoléculaire entre les molécules de liquide, solide et de gaz à l'interface entre les trois milieux. Ces interactions sont modélisées à l'échelle macroscopique via la tension superficielle.

La qualité du mouillage d'un liquide sur un solide est le degré d'étalement du liquide sur ce solide. On parle de mouillage total lorsque le liquide s'étale totalement, et de mouillage partiel lorsque le liquide forme une goutte sur le solide. Le type de mouillage (total ou partiel) est déterminé par le signe du coefficient d'étalement. 1- L'angle de contact, noté

sur la figure ci-contre permet de quantifier la qualité du mouillage.

Qu'est-ce qu'un angle de contact ? C'est l'angle de raccordement (noté téta) entre la surface du solide approximer comme plane, et la micro goutte de liquide que l'on a déposée sur cette dernière. Il peut varier de 0 à 180 degrés et en fonction de sa valeur (pour le liquide sonde l'eau) on peut classer les surfaces comme suit : - entre 0° et 10° surface superhydrophile - entre 90° et 140° surface hydrophobe - >140° surface superhydrophobe A téta on se doit d'associer la notion de tensions de surface (ou énergie de surfaces). La forme d'une goutte à la surface d'un solide est régit par 3 paramètres : - γsl La tension à l'interface solide-liquide - γsv La tension à l'interface solide-vapeur - γlv La tension à l'interface liquide-vapeur Ces trois grandeurs sont reliées par l'équation de Young-Dupré :

D- LA PRESSION CAPILLAIRE – LOI DE LAPLACE La loi de Laplace est une loi liant la courbure locale de l'interface séparant deux milieux à la différence de pression (aussi appelée pression de Laplace) entre ces deux milieux. La loi de Laplace est parfois appelée équation de Laplace-Young.

où    

P1 est la pression du côté extérieur de la sphère (exprimé en pascals); P2 est la pression du côté intérieur de la sphère (exprimé en pascals); est la tension superficielle à la limite de séparation (exprimé en newtons par mètre); R est le rayon de la goutte (exprimé en mètre).

REMARQUE : La pression capillaire apparait chaque fois qu’une courbure de surface liquide se forme : gouttelette, ménisque dans un tube capillaire ( ménisque sphérique) ou entre deux plaques ( ménisque cylindrique ), dans les pores et en particulier dans les roches réservoirs.

E- LA MONTÉE CAPILLAIRE – LOI DE JURIN La hauteur à laquelle monte le liquide dans le tube est telle que la pression dans le liquide situé immédiatement sous le ménisque obéit simultanément à deux lois : la loi hydrostatique dans le tube et la loi de Laplace-Young à travers l'interface que constitue le ménisque.

F- LES MILIEUX POREUX – LES ROCHES RESERVOIRS Selon la nature du squelette du milieu poreux, on distingue deux types principaux de roches réservoirs. Les roches gréseuses et les roches carbonatées

1- RESERVOIRS GRESEUX Contrairement aux carbonates, les grés sont formés d’un certain nombre de minéraux très différents, à savoir : -Le quartz, élément très dominant 50-90% - Des silicates: - Argiles et micas (structure en feuillet) 5-30%. - Feldspaths (structure tridimensionnelle) 0-10%. -Des carbonates: 0-10%. - Des impuretés : fer, calcium 0-3%. Alors que le quartz, les feldspaths et les micas constituent le squelette originel de la roche, le ciment de celle-ci est formé de minéraux secondaires, surcroissance du quartz,carbonates et argiles qui ont précipités dans les pores longtemps après. On les trouve principalement soit attachées à la surface des pores (chlorites) en les bloquant partiellement (illite), soit à l’intérieur de ces derniers (kaolinite). La figure ci-dessous illustre cette situation :

2- LES RÉSERVOIRS CARBONATÉS Les roches qui contiennent plus de 50% de minéraux carbonés sont classées dans la catégorie des roches carbonatées. Elles proviennent de la sédimentation des squelettes d’animaux marins dont la taille varie du micron au centimètre. Il en découle une grande variété dans la porosité et la perméabilité de ces roches. Au cours du temps, ce sédiment est transformé physiquement et chimiquement afin d’atteindre une forme stable. La forme la plus simple est celle de la calcite (CaCO3). Lorsque le sédiment reste longtemps en contact avec un fluide contenant beaucoup de magnésium, il se forme alors de la dolomite (CaMg(CO3)2). Ce sont les deux principaux minéraux carbonatés que l’on peut trouver dans un réservoir carbonaté. Les roches carbonatées sont en général classées selon le rapport entre les quantités de calcite et de dolomite

qu’elles contiennent. Celles contenant plus de 50% de calcite sont appelées calcaire. Les réservoirs carbonatés contiennent 52 % des réserves d’huile et 49 % des réserves de gaz prouvées mondiales. Ils se trouvent sur les cinq continents, par exemple en Russie, en Libye, en Malaisie, en Angola… et en particulier dans la péninsule arabique. G- LES CORPS TENSIOACTIFS Les corps tensioactifs sont des composés organiques constitués d’une partie polaire et d’une autre partie non polaire. Ils ont la propriété de réduire la tension interfaciale en s’adsorbant aux surfaces et interfaces.

Adsorption des molécules de tensioactifs à la surface air / eau

Variation de la tension superficielle en fonction de la concentration de tensioactif. Selon la charge de la partie polaire il existe 4 classes de tensioactifs : anionique, cationique amphotère et non ionique. H- ALTERATION DE LA MOUILLABILITÉ L'excès des tensioactifs contenus dans les fluides de forage et de complétion peuvent provoquer une altération de la mouillabilité de la roche réservoir. Les fluides émulsionnés inverses et leur filtrat altèrent la mouillabilité des échantillons de grés de Berea (roche standard) ayant une mouillabilité franche à l'eau. L'altération de la mouillabilité causée par chaque composant de la boue à l'huile à émulsion inverse est évaluée par la méthode d'Amott où les résultats montrent l'aptitude des agents de surface à changer nettement la mouillabilité à l'eau des échantillons, ceci est reconnu comme l'un des mécanismes d'endommagement de la formation. L’altération de la mouillabilité va engendrer une élévation des saturations résiduelles en huile Sor et une réduction de la perméabilité relative à l’huile Kro des roches réservoirs. On observera une chute de l’indice de productivité et une augmentation de la production d’eau. I-

LE NOMBRE CAPILLAIRE Nca

Considérons un écoulement diphasique (par exemple eau-huile) au cours duquel le _uide non mouillant est déplacé par le _fluide mouillant. Les forces en présence sont : _ les forces capillaires liées à l'interface entre deux _fluides, _ les forces visqueuses liées au _fluide déplaçant et celles liées au _fluide déplacé.

On peut définir un nombre adimensionnel, le nombre capillaire, qui est le rapport des forces visqueuses aux forces capillaires. Nca = μ ν / γ Où : μ la viscosité du fluide déplaçant, v sa vitesse et γ sa tension interfaciale. Lorsque Nca