Faculté Polytechnique

Fanny Descamps & Jean-Pierre Tshibangu

Service de Génie Minier, Faculté Polytechnique, UMONS

Schistes et charbons:des réservoirs pas comme les autres

SBGIMR - Mons, 8 décembre 2014Gaz de schistes et de charbons: quelques aspects d'ingénierie

Université de Mons

2 caractéristiques essentielles :

Des réservoirs…

2F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

• Porosité

• SaturationStockage

• Perméabilité (écoulement hydraulique)

Transport

Université de Mons

… pas comme les autres…

3F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Roche mère

Migration

Réservoir

Piège

Roche mère= réservoir

= piège

= Poreux + Perméable

Conventionnel Schistes & charbons

Université de Mons

… mais qui méritent de l’attention

F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres 4

405

110

90

180

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 2

Wo

rld

En

ergy

Ou

tlo

ok

20

09

380 Tm³

Tm³IFP EN

Ressources techniques mondiales récupérables

Faculté Polytechnique

Milieu poreux

Porosité

Saturations

Capacités de stockage

Université de Mons

Notion de milieu poreux

6F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

= +

Milieu poreux Squelette Fluide

Porosité :

V : volume total

Vv : volume des vides (pores et fissures)

Vs : volume des solides

100 100 100v s v

v s

V V V V

V V V V

Université de Mons

Par séchage - saturation - pesées :

𝜙 =𝑊𝑠𝑎𝑡 −𝑊𝑑𝑟𝑦

𝛾𝑓𝑙 𝑉𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒× 100

Mesure de la porosité

7F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Exemple : Calcaire de Sorcy φ ≈ 30%

Porosimétrie au mercure :

pores entre 200 et 0,0036 µm

distinction micro-macro porosité

Ram

os

da

Silv

a et

al.,

20

10

Rayon équivalent des pores

entre 0,1 et 1 µm

Université de Mons

Exemples macroscopiques de schistes à gaz :

Les schistes, milieux poreux

8F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Black shale (Utica, Québec)

Interstratifiéshale-siltite

Shale fracturé

(d’a

prè

s C

SUG

, Can

adia

n S

oci

ety

for

Un

con

ven

tio

nal

Gas

)

Université de Mons

Particularité = minéraux argileux propriétés spécifiques :

Haute surface spécifique

Haute surface de charge

Contenu en eau très élevé

Haute sensibilité à la chimie de leurenvironnement

Les schistes, milieux poreux

9F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

SPE 131 350

Kaolinite15 m²/g

Smectite800 m²/g

Université de Mons

Porosité microscopique au niveau de la matrice

Porosité de fissure :

cleats

= système de joints, plans de clivage et plans de faiblesses

Face cleats

Butt cleats

Les charbons, milieux poreux

10F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Kan

sas

Ge

olo

gica

lSu

rvey

, 20

06

Université de Mons

Litt

keet

al 2

01

1

Taille des pores

11F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Gas shalePorosité typique :

1 à 15%

CharbonPorosité typique :0,1 à 10%

Université de Mons 12

Les roches réservoirs contiennent de l’eau, de l’huile et du gaz

Saturation = part de chaque fluide dans la porosité :

Sw pour l’eau

So pour l’huile

Sg pour le gaz

𝑆𝑤 =𝑉𝑤𝑉𝑣

𝑆𝑜 =𝑉𝑜𝑉𝑣

𝑆𝑔 =𝑉𝑔

𝑉𝑣

𝑆𝑤 + 𝑆𝑜 + 𝑆𝑔 = 1

Vw

Vo

Vg

Vv

Saturations

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Faculté Polytechnique

Conductivité hydraulique

Diffusion

Désorption

Mécanismes de transport

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Conductivité hydraulique

Charge hydraulique :

ℎ =𝑣2

2𝑔+𝑝

𝛾𝑓𝑙− 𝑧

Loi de Darcy :

𝑞 : débit (cm3/s)

𝑘′: perméabilité (Darcy)

𝛻𝑝: gradient de pression du fluide (atm)

La perméabilité dépend du fluide considéré (viscosité)

𝑞 = −𝑘′𝛻𝑝

F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

A

L

μ

P1 P2

Université de Mons 15

Hypothèse : non-miscibles milieu saturé

Perméabilité effective ke

pour chaque fluide (Darcy)

Perméabilité relative kr

Rapport de la perméabilité effective à la perméabilité absolue

Dépend de la saturation et de la mouillabilité

Et s’il y a plusieurs fluides?

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Université de Mons

Hautes perméabilités :

Liquides : cellule Hassler

Gaz : débit massique du gaz = constant mais pas le débit volumique (compressibilité)

Mesure de perméabilité

16F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Faibles perméabilités : régime transitoire

Drawdown

Build-up

Pulse

Pompe

à vide

Réservoir de gaz

Echantillon

Capteur de pression différentielle

Méthode de drawdown

Université de Mons

Perméabilités des réservoirs non-conventionnels

17F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

1 darcyExcellent

1 millidarcyMédiocre

10-12 10-9 10-6 Perméabilité(darcy)

Perméabilité(m²)

10-24 10-21 10-18 10-15 10-12

Charbon (CBM)

Gasshale

Tight gassandstone

Litt

keet

al 2

01

1

Université de Mons

Equation de transport :

𝑞𝑖𝑟 = −

𝑠

𝐿𝑖𝑗𝑟𝑠𝛻𝑗𝐶

𝑠

𝑞𝑖𝑟 flux massique de l’espèce ionique r dans la direction i

𝐶𝑠 concentration de l’espèce s

𝐿𝑖𝑗𝑟𝑠 coefficient de diffusion de l’espèce r en présence de s à une concentration 𝐶𝑠

Conservation de la masse :

𝛻𝑞𝑟 = −𝜕𝑚𝑟

𝜕𝑡

Equation de diffusivité :𝜕2𝐶𝑟

𝜕𝑥2=1

𝐿𝑟𝜕𝐶𝑟

𝜕𝑡

Mécanisme de diffusion

18F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

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Mécanisme de désorption

19F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Université de Mons

Gaz sous différentes formes : Adsorbé Dissout Libre

Mécanismes à différentes échelles :

Écoulement hydraulique dans les fractures

Diffusion à travers la matrice, les micro-et méso-pores

Désorption des surfaces microporeuses

Mécanismes de transport dans les réservoirs de gaz de schiste

20F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Cla

rkso

net

al.

20

12

Echelle :

Macro

Méso

Micro

Nano

Moléculaire

Université de Mons

Désorption des surfaces des cleats

Diffusion à travers la matrice

Ecoulement hydraulique selon les fractures

Mécanismes de transport dans les charbons

21F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Kansas Geological Survey, 2006

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A l’échelle du réservoir

Quelques exemples en production

Université de Mons

Profil de production type en gaz de schiste

23F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

SPE 160855, d’après EIA 2011

Haynesville shale

Pro

du

ctio

n c

um

ulé

e (

Bcf

e)

Tau

x d

e p

rod

uct

ion

(M

mcf

e/d

)

80 % EURen 10 ans

Université de Mons

Profil de production typique en CBM

24F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Gas

Res

earc

hIn

stit

ute

, 19

96

Faculté Polytechnique

Conclusion

Université de Mons

Conventionnel Schistes Charbons

Porositébonne : 10 à 20%

très bonne : > 20%

1 à 15%Petits pores comparé

au conventionnel

0,1 à 10%Micro et macro

(cleats)

Saturation Influence fortement la production

Perméabilité1 Darcy = excellent

1md = médiocre10-6 à 10-10 darcy 10-2 à 10-6 darcy

Mécanismes de transport

Gaz libre

Écoulement hydraulique

Gaz libre + gaz adsorbé

Écoulement hydraulique (fractures)

Diffusion (matrice, micro- et méso-pores)

+ Désorption (surfaces microporeuses, cleats)

Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Faculté Polytechnique

Merci de votre attention

Université de Mons 28F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Université de Mons

Perméabilité des réservoirs

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Conduct. Hydr. (cm/s)

Perméabilité(darcy)

Université de Mons

Lorsque les argiles s’en mêlent

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Université de Mons

L’eau influence considérablement les capacités d’adsorption

31F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres

Litt

keet

al.,

20

11

Université de Mons

Avec la profondeur, la porosité et le contenu en gaz adsorbé diminuent

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