Développée en interne pour formaliser la physique complexe à l’origine de la récupération améliorée des hydrocarbures, la simulation des procédés EOR (Enhanced Oil Recovery) est l’outil fédérateur qui nous permet de raisonner, en parfaite cohérence, de la petite à la grande échelle. À la clé : des codes de calcul avancés, gages de simulations plus fiables pour la conception de développements optimisés.

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Marcel Bourgeois

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Gilles Darche

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EOR : des mécanismes physiques complexes à simuler

Le déploiement des techniques EOR représente un enjeu considérable. Qu’elles soient fondées sur l’injection de produits chimiques, sur l’injection améliorée de gaz ou sur des procédés thermiques, elles pourraient permettre d’accroître de 2 à 20% la récupération de l’huile, limitée à 37 % en moyenne avec les techniques conventionnelles de production (comme l’injection d’eau).

Estimer avec confiance le volume de réserves additionnelles associé au développement EOR d’un champ est un véritable défi, qui nécessite de solides savoir-faire. En effet, ces procédés de production mettent en œuvre des mécanismes physiques multiples qui se jouent à l’échelle microscopique au sein des réservoirs, typiquement en modifiant localement les propriétés intrinsèques de l’huile ou les interactions entre les différents fluides (eau, huile, et gaz). Simuler cette physique avancée exige d’en comprendre toute la complexité à cette petite échelle pour être à même d’en sélectionner les paramètres les plus importants à implémenter dans nos simulations à grande échelle.

Nos moyens expérimentaux, nos outils propriétaires et nos workflows nous placent à la pointe de ce processus de simulation intégré, du laboratoire jusqu’aux études de développement. Mobilisant de multiples expertises (géologues, pétrophysiciens, physiciens, chimistes, géochimistes, numériciens), il s’appuie sur la puissance de calcul de notre supercalculateur Pangea.

La simulation de l'EOR, du laboratoire jusqu'au champ

Notre workflow de simulation des procédés EOR déroule trois grandes phases dont l’enchaînement nous permet de déterminer et de calibrer les paramètres clés des processus physiques impliqués dans les techniques de récupération améliorée de l’huile.

1) La simulation à petite échelle – À ce stade, la simulation est utilisée pour comprendre, de manière fine et précise, la physique du procédé EOR à l’échelle microscopique en modélisant les expériences EOR complexes réalisées au Laboratoire de pétrophysique de Total sur des carottes de quelques centimètres. L’objectif est alors de reproduire aussi fidèlement que possible les résultats de l’expérience par la simulation. Pour ce faire, nous mettons en œuvre un duo ultra-performant d’outils maison, fruits de plusieurs années de R&D et sans équivalent sur le marché :

  • TPP (Total Prototyping Platform), plateforme de simulation réservoir R&D conçue pour tester les nouveaux modèles physiques développés par notre équipe de physiciens et numériciens, capable d’intégrer des algorithmes très complexes et de nombreuses options de simulation ;
  • COREMATCH, outil de calage automatique des expériences de balayage sur carottes qui calibre les paramètres physiques qui modélisent au mieux les expériences en exploitant les résultats de simulations de TPP via un processus d’optimisation.

Grâce aux ressources de calcul de Pangea, les centaines ou milliers de simulations nécessaires pour caler nos codes prototypes d’EOR sont lancées simultanément et tournent en parallèle.

2) La mise à l’échelle – La formalisation très détaillée des phénomènes physiques, physico-chimiques voire géochimiques utilisée lors de ces premières simulations réalisées sur des modèles aux mailles de quelques millimètres, ne peut être conservée dans les simulations réservoir à l’échelle du champ, où les mailles de calcul atteignent plusieurs dizaines de mètres. Si le modèle physique doit parfois être simplifié, ses paramètres doivent, dans tous les cas, être extrapolés pour s’adapter à la simulation à grande échelle et éviter les biais systématiques.

3) La simulation réservoir à grande échelle – La modélisation à grande échelle est réalisée sur INTERSECT, simulateur de réservoir de nouvelle génération dont Total est copropriétaire depuis 2012 avec Chevron et Schlumberger. L’accès à son code source nous offre l’avantage de pouvoir enrichir notre version interne des nouvelles options EOR issues de notre R&D avant même leur implantation dans la version commerciale de l’outil. Avec, pour avantage décisif, de répondre très vite aux besoins des études de conception de pilotes ou de développements à grande échelle.

Une simulation EOR plus faible pour des développements optimisés

Mis en œuvre depuis plusieurs années, ce workflow alimenté par nos codes prototypes nous confère une longueur d’avance en simulation EOR. La dynamique d’implémentation continue d’une physique améliorée dans nos codes de calcul est le gage d’une meilleure fiabilité de nos prévisions sur les réserves additionnelles associées à l’EOR. Elle nous a, ainsi, permis de montrer l’économicité de certains mécanismes EOR simples qui apparaissent non économiques en physique classique.

De multiples avancées décisives ont ainsi été réalisées ces dernières années. Par exemple :

  • une option de simulation très complète de l’injection chimique de type SP (Surfactant-Polymer) dans TPP, qui simule la phase de micro-émulsion générée in situ par ce mélange, y compris en présence de gaz, à l’aide d’un formalisme 4-phases qui n’existe aujourd’hui dans aucun outil de simulation du commerce. Ce code avancé nous a permis de designer le pilote d’EOR chimique SP réalisé avec succès sur ABK (Abu Dhabi) en 2014 ;
  • de nouvelles options développées sur TPP puis implémentées dans INTERSECT simulent l’injection de polymères en mode tertiaire précoce (après une courte injection d’eau), grâce à l’implantation de plusieurs formalismes spécifiques à la présence de polymères : un formalisme d’hystérésis qui permet de modéliser l’évolution non monotone des perméabilités relatives qui se manifeste lorsqu’un polymère remobilise une huile, ainsi qu’une dépendance des perméabilités relatives à la concentration locale de polymères dans le modèle. Elles sont aujourd’hui mises à profit dans les études de futurs pilotes et déploiements du procédé sur des champs africains ;
  • la simulation de l’injection alternée d’eau et de gaz (WAG, Water Alternating Gas), voie d’EOR déjà utilisée en particulier au Moyen-Orient et au Brésil, a également été rendue possible par la mise en place d’un formalisme d’hystérésis étendu aux milieux mouillables à l’huile pour rendre compte fidèlement des cycles d’évolution des saturations résiduelles en eau et en gaz. Implémentée sur TPP puis sur INTERSECT, cette option a permis de caler avec succès l’historique de production du pilote WAG conduit depuis 2011 sur Al Shaheen (Qatar). Elle est utilisée aujourd’hui pour modéliser l’extension possible du procédé sur ce champ géant, tout comme nos options innovantes de simulation de SWIM® (Smart Water Injection Method) d’injection d’eau peu salée ou de composition ionique modifiée, ou d’injection de polymères.

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