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
F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres
Faculté Polytechnique
Conductivité hydraulique
Diffusion
Désorption
Mécanismes de transport
Université de Mons 14
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?
F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres
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
Université de Mons
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
Faculté Polytechnique
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
29F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres
Conduct. Hydr. (cm/s)
Perméabilité(darcy)
Université de Mons
Lorsque les argiles s’en mêlent
30F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres
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
32F. Descamp & J-P Tshibangu | Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres