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Boillet Thomas 17 Mars 2010 Nohile David Mollet Matthieu Valorisation in-situ d

Boillet Thomas 17 Mars 2010 Nohile David Mollet Matthieu Valorisation in-situ des schistes bitumineux Arjan Kamp (CHLOE) Yohann Le Gac (IMFT/TOTAL) Bureau d'étude industriel Remerciements : Nous remercions Arjan Kamp, directeur du laboratoire CHLOE (Centre des Huiles Lourdes Ouvert et Expérimental), de nous avoir permis de prendre part à ce projet et de nous avoir offert une première vue du monde du pétrole. Sa grande expérience dans ce domaine a été précieuse. Nous remercions Yohann Le Gac, doctorant en thèse à l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse) pour TOTAL, pour sa grande disponibilité, sa patience et ses précieux conseils sur de nombreux aspects de notre travail. Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 2 Table des matières 1 Contexte industriel et objectifs de l'étude.......................................................................................4 1.1 L'industrie pétrolière.................................................................................................................4 1.2 Les ressources non conventionnelles.......................................................................................5 1.3 Objectif de l'étude et démarche...............................................................................................8 2 Modélisation du problème.............................................................................................................10 2.1 Création d'un réservoir sous STARS .......................................................................................10 2.2 Modélisation de la réaction....................................................................................................13 Réaction de pyrolyse :...............................................................................................................13 Constantes de réaction :...........................................................................................................14 Mise en place du chauffage sous STARS...................................................................................16 3 Simulations et Résultats.................................................................................................................19 3.1 Cas du réacteur ......................................................................................................................19 3.2 Extension à l'échelle d'un champ............................................................................................21 Éléments de modélisation ........................................................................................................21 Coupe verticale du réservoir.....................................................................................................22 Coupe horizontale du réservoir................................................................................................28 Conclusion..........................................................................................................................................32 Bibliographie.......................................................................................................................................33 Annexes..............................................................................................................................................33 Propriétés essentielles des différents constituants :.....................................................................33 Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 3 1 Contexte industriel et objectifs de l'étude 1.1 L'industrie pétrolière Dans les années à venir, un certain nombre de facteurs pourraient entraîner une augmentation de la demande en énergie primaire : ➢Développement des pays émergents grâce à une croissance soutenue. ➢Part croissante du secteur des transports, extrêmement demandeur en hydrocarbures. ➢Prédominance des énergies fossiles dans les décennies à venir faute de solution alternative permettant un remplacement rapide et massif du pétrole. Cette croissance de la demande en énergie primaire est déjà à l'œuvre depuis le début des années 90 comme le montre le graphique suivant : Ce graphique illustre bien l'explosion de la demande à laquelle nous assistons. Si les ressources en pétrole de la planète étaient infinies, cela ne poserait un problème qu'au point de vue environnemental. Cependant, ce n'est pas le cas. Les réserves contenues dans le sous-sol de la planète se sont constituées pendant plusieurs centaines de millions d'années et nécessiteront au moins une durée égale pour se régénérer. La question qui se pose alors est la suivante : quand allons-nous atteindre notre pic de production ? Autrement dit, à partir de quel moment la production pétrolière va-t-elle décroître irrémédiablement ? On retrouve ici la notion de « Peak oil ». Les estimations les plus pessimistes le situent aux environs de 2015 tandis que les estimations les plus optimistes, tablant sur notre capacité d'innovations technologiques, le placent aux environs de 2030. Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 4 Voici un exemple de ces estimations : On voit avec ces prévisions que la production n'arriverait plus à suivre une demande toujours croissante. Le problème provient du fait qu'il n'y a plus assez de découverte de nouveaux gisements. Comme nous aurions consommé en un siècle près de la moitié des réserves de pétrole découvertes et que la deuxième moitié devrait être consommée beaucoup plus rapidement que la première, la pénurie pourrait progressivement s'installer. Pour remédier à cela, les groupes pétroliers commencent à exploiter ce qu'on appelle les huiles non-conventionnelles. 1.2 Les ressources non conventionnelles Les huiles non conventionnelles sont par exemple des pétroles denses, fortement visqueux qu'il faut rendre plus fluide et léger afin de permettre une production économiquement rentable. Les exemples les plus connus de ces ressources non conventionnelles restent les sables bitumineux du Canada et les bruts extra-lourds du Vénézuela. Il existe d'autre ressources non conventionnelles, parmi lesquelles celle à laquelle nous nous intéressons plus particulièrement au cours de ce bureau d'étude : les schistes bitumineux. Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 5 Consommation Production Les schistes bitumineux sont des roches sédimentaires contenant de grandes quantités de matériau organique (du kérogène, formé par des dépôts végétaux). Le kérogène contenu dans ces schistes peut être transformé en huile par pyrolyse (craquage thermique sans oxygène) à haute température. Par valorisation, on entend augmentation du degré API (American Petroleum Institute) des schistes bitumineux. Celui-ci est défini de la manière suivante : API130 140 =water sc oil sc Ainsi, on voit que le degré API de l'eau est de 10. Les différentes huiles peuvent être classées en fonction de leur degré API : plus celui-ci est élevé, meilleure est leur qualité. Par exemple, les schistes bitumineux ont un degré API inférieur à 10. Il faut donc les transformer par craquage thermique (chauffage) afin de pouvoir produire de l'essence par exemple. Cette transformation peut se faire de deux manières différentes : ➢Transformation in-situ : le processus de chauffage se déroule à l'intérieur même du réservoir. ➢Transformation ex-situ : le traitement des schistes est réalisé en surface après extraction. Le traitement en surface est appelé retorting. A l'heure actuelle, seule la technologie ex-situ est employée à l'échelle industrielle, notamment en Chine, en Allemagne, en Estonie et au Brésil. Son exploitation a considérablement baissé par rapport au pic de production de 1980 (46 millions de tonnes) pour atteindre 16 millions de tonnes en 2000. Ceci est illustré sur la figure suivante qui montre la production issue des schistes bitumineux : Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 6 Cette baisse est essentiellement due à la concurrence des huiles conventionnelles, plus rentables économiquement. Les réserves mondiales sont estimées aux alentour de 3000 milliards de barils, soit plus de double des réserves prouvées d'huile conventionnelle. La majeure partie de ces ressources se trouvent aux Etats Unis comme le montre le graphique suivant : Cependant, les schistes bitumineux possèdent un certain nombre d'inconvénients : ➢La technologie in-situ est une technologie naissante en plein développement. Elle n'est pour l'instant mise en œuvre que sur un certain nombre de projets pilotes des grandes compagnies pétrolières (Shell notamment). Ceci nécessite donc de gros investissements en recherche et développement pour la rendre économiquement viable. Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 7 ➢L'exploitation des schistes bitumineux a un fort impact au point de vue environnemental. L'autoclavage utilisé dans la technologie ex-situ utilise de grandes quantités d'eau dont une partie ressort souillée. De plus, cette technologie émet beaucoup de gaz à effet de serre à cause du procédé de transformation, du transport des schistes et des activités de minage. La technologie in-situ pourrait permettre de réduire ces impacts : elle est moins demandeuse en eau et les gaz à effet de serre seraient produits à l'intérieur du réservoir. Cependant, ce procédé pourrait créer d'autres problèmes, notamment liés à la pollution des nappes phréatiques. ➢Du point de vue géopolitique, la forte localisation des ressources aux Etats Unis pourrait entrainer une refonte des relations internationales. 1.3 Objectif de l'étude et démarche Le but de notre étude est de parvenir à simuler un procédé de valorisation in-situ à l'aide du logiciel STARS (Steam, Thermal and Advanced processes Reservoir Simulator), un puissant simulateur de réservoir qui peut prendre en compte une grande variété de procédés tels que l'injection de vapeur, la combustion in-situ... Pour cela, il nous faut développer un modèle de réservoir capable de prendre en compte les caractéristiques suivantes : ➢Système multi-phase, multi-composants dans lequel ont lieu des processus de transport de fluides en milieu poreux. ➢Implémentation de la réaction chimique permettant de passer de schistes bitumineux solides à des hydrocarbures liquides ou gazeux. ➢Simulation du comportement thermodynamique des hydrocarbures et du comportement des différentes phases. Nous nous sommes dans un premier temps familiarisés avec le logiciel STARS à travers un tutoriel modélisant le procédé SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage). Ce tutoriel est destiné à nous faire découvrir les possibilités de STARS à travers plusieurs étapes : ➢Génération des paramètres d'un réservoir (géométrie, propriétés de la roche, porosité, perméabilité, propriétés thermiques...). ➢Complexification du modèle d'huile en partant du modèle simple de « dead oil » pour aboutir à un modèle de « live oil » avec solvant. ➢Sophistication du modèle de réservoir par l'ajout d'éléments chauffants, la prise en compte des variations de porosité et de perméabilité dues à la recompaction-dilatation de la roche, la prise en compte de la présence d'eau... Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 8 Ensuite, concernant la démarche même de notre travail, nous avons toujours veillé à partir des cas les plus simples afin d'augmenter la complexité au fur et à mesure. De cette manière, nous avions toujours une base solide pour nos simulations avec des résultats à présenter. De plus, ceci nous a permis d'avoir une meilleure compréhension des phénomènes physiques à l'œuvre dans un réservoir en ne les masquant pas derrière une géométrie ou une configuration trop complexes. Bureau d'étude industriel – Valorisation in-situ des schistes bitumineux 9 2 Modélisation du problème 2.1 Création d'un réservoir sous STARS La première étape de notre étude a consisté en la création d'un réservoir pétrolier à l'aide du logiciel STARS. Ce processus est plutôt systématique et nous allons uploads/Industriel/ rapport 8 .pdf