Mobilisation du pétrole résiduel dans un milieu poreux par injection d’eau

 Généralités sur le pétrole

C’est au 19e siècle avec la révolution industrielle qu’on a commencé à utiliser le pétrole comme une source d’énergie. Il est l’une des énergies les plus importantes de ce siècle, et est utilisé dans tous les pays de la planète. L’exploitation de cette source d’énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine. Le processus de formation du pétrole s’étend de 20 à 350 Millions d’années. Il s’est formé par la décomposition de résidus d’organismes vivants qui se sont transformés en matière organique puis en kérosène avant de devenir du pétrole. Il est piégé dans des formations géologiques particulières, dans des profondeurs de quelques milliers de mètres. Son accessibilité et ses diverses applications ont fait qu’il soit le produit le plus convoité du monde. Depuis sa découverte, d’innombrables techniques d’exploitations ne cessent d’être mises en place pour une meilleure mobilisation. Nous pouvons citer : la récupération primaire, ensuite secondaire puis tertiaire qui correspondent à des techniques de récupérations assistées. Ces dernières méthodes sont composées de plusieurs techniques dont le but est d’extraire le maximum de quantité de pétrole in situ.

La genèse du pétrole

Le milieu aquatique était peuplé de microorganismes qui en mourant se déposèrent, au fond des mers, des océans, des lacs et des deltas dans des bassins sédimentaires. Au fil des siècles, ce dépôt de matière organique s’accumule. Il se forme une grande masse qui s’enfonce et se mélange avec le sol pour former des boues. A partir d’une pression seuil et Mémoire de Master Physique et Applications /Spécialité Mécanique des Fluides et Applications /SIDI NIANG 4 température de 120 degrés et d’une profondeur de 4000 mètres, la dégradation thermique des éléments organiques d’origine biologique appelés kérosène commence : le pétrole est synthétisé par craquage thermique. 

Composition

Le pétrole est un combustible fossile composé de plusieurs hydrocarbures tels que les alcanes ou paraffines, les cyclo alcanes ou naphtènes et les composés aromatiques qui sont des composés organiques constitués d’un mélange d’hydrogène et en majorité de carbones. La composition varie d’un champ à l’autre mais comporte grossièrement 80 % de carbones, 11 % d’hydrogène et 1 % à 2 % de souffre, d’oxygène et d’azote. On y trouve aussi une multitude d’autres éléments tels que l’azote, le soufre, les métaux mais aussi parfois de l’eau salée ou bien des produits sulfuré-thiols. Après la récupération du pétrole brut, le raffinage et la transformation, les produits tels que le diesel, l’essence, l’huile à poêle, des produits chimiques ou encore combustible à fournaise sont finalement obtenus. En fonction de sa gravité ou sa densité API, le pétrole brut est classé en trois différentes catégories : il y a le léger, le moyen et le lourd.

Consommation

En 2014, la consommation journalière était de 92 086 000 barils par jour, soit 14 641 674 000 litres de pétrole par jour. Les estimations en 2017 ont montré que le pétrole constituait 32,5 % de l’énergie mondiale avec une consommation journalière mondiale de 95 millions de barils qui sont produits par jour, soit 15 105 000 000 litres par jour. Cela représente l’équivalent de 1.099,5 barils ou 174820,5 litres par seconde. Le baril, qui est l’unité de volume utilisée dans les milieux industriels et financiers, équivaut à environ 159 litres (158,987 litres exactement). Lorsque cinq barils sont consommés, un seul baril est découvert [3]. Comme la consommation est quatre fois plus élevée que la quantité découverte, pour combler ce vide les pensées se sont tournées vers des techniques permettant d’augmenter les ressources pétrolières conventionnelles disponibles et de développer des méthodes de récupération assistée du pétrole (EOR ou RAP). Mémoire de Master Physique et Applications /Spécialité Mécanique des Fluides et Applications /SIDI NIANG 5

Méthodes d’extraction du pétrole

Le pétrole est extrait du sol par différentes manières ; un certain nombre de facteurs comme la porosité de la roche et la viscosité du dépôt peuvent entraver la libre circulation du produit dans le puits. Auparavant les techniques ne permettaient de récupérer que jusqu’à 10% du pétrole présent dans le réservoir. Dans le passé, l’augmentation de la pression du gisement faisait déplacer naturellement les fluides vers la surface ce qui facilitait la récupération du pétrole. Cette technique ne permettait de récupérer que 1/10e du pétrole initialement présent dans le gisement (récupération primaire). Le rendement de cette méthode étant faible par rapport à la demande, ce qui a donné naissance à l’injection d’eau dans le puit pour déplacer l’huile ou à l’injection de gaz sous le pétrole qui, sous l’effet de la température se dilate et fait pousser le pétrole vers la surface pour son extraction (récupération secondaire). De nos jours avec le développement de la technologie et la forte consommation de la population mondiale du pétrole et ses dérivés, des techniques plus rentables ont été mises à jour (Récupération tertiaire). Cette dernière est une récupération améliorée comportant les trois méthodes suivantes :  Injection thermique de vapeurs d’eau  Injection de gaz (CO2 ou N2) 

Injection chimique 

Récupération primaire

Il s’agit de la phase de production initiale où l’écoulement du pétrole se fait naturellement. La seule force naturelle présente pour déplacer le pétrole à travers la roche réservoir pour le puits de forage est la différence de pression entre la pression la plus élevée dans la formation rocheuse et la pression la plus faible dans le puits de production. Ainsi, le pétrole est drainé vers le puits de production puis vers la surface. Des pompes peuvent être utilisées par la suite pour maintenir la production de pétrole. Cette première phase s’arrête lorsque la pression du réservoir devient trop faible. Au cours de cette phase, 5 à 20 % de pétrole (initial, en place avant la production) peuvent être récupérés [1] [2], en fonction du pétrole, des caractéristiques géologiques et de la pression initiale du réservoir. 

Récupération secondaire

Cette phase débute quand la production primaire devient trop faible. Des fluides (principalement de l’eau) sont injectés dans le réservoir, à partir d’un puits d’injection, pour augmenter la pression et créer un écoulement artificiel du pétrole vers le puits de production [6] [7]. Au cours de cette phase 6 à 30 % de pétrole peuvent être récupérés .

Récupération tertiaire

Elles sont utilisées lorsque les réservoirs arrivent en fin de vie. 5 à 15% de pétrole peuvent être récupérés pour les huiles légères à intermédiaires, et beaucoup moins pour les huiles lourdes. Ces processus permettent d’améliorer l’écoulement de l’huile dans le réservoir en modifiant ses propriétés physiques et chimiques et ses interactions avec la roche réservoir. Il faut noter que la tendance actuelle est de considérer l’EOR plus tôt dans le développement des réservoirs pétroliers, voire dans certains cas, dès leur mise en production [9]. Ces techniques correspondent à des processus de récupération assistée de pétrole ou EOR (Enhanced Oil Recovery). La plupart des méthodes employées sont des méthodes chimiques (utilisation de polymères, tensioactifs, émulsions…), miscibles (injection de gaz, dioxyde de carbone, solvant…) ou thermiques (entraînement à la vapeur ou à l’eau chaude). La consommation importante d’énergie induit une raréfaction des ressources d’hydrocarbures, obligeant à travailler dans des conditions extrêmes avec des conditions d’exploitation de plus en plus difficiles (réservoirs difficiles, profondeur, température, …). Cela nécessite des techniques de récupération plus avancées dans lesquelles les fluides complexes trouvent leur place [10]. En effet, pour la récupération des hydrocarbures, plusieurs fluides complexes comme les hydrocarbures eux-mêmes et les différents types de fluides (polymères, tensioactifs) utilisés dans les méthodes chimiques de récupération [11].