Schistes et charbons: des réservoirs pas comme les autres

Transcription

1 Faculté Polytechnique Schistes et charbons: des réservoirs pas comme les autres Fanny Descamps & Jean-Pierre Tshibangu Service de Génie Minier, Faculté Polytechnique, UMONS SBGIMR - Mons, 8 décembre 2014 Gaz de schistes et de charbons: quelques aspects d'ingénierie

2 Des réservoirs 2 caractéristiques essentielles : Stockage Porosité Saturation Transport Perméabilité (écoulement hydraulique) 2

3 pas comme les autres Piège Réservoir = Poreux + Perméable Migration Roche mère Roche mère = réservoir = piège Conventionnel Schistes & charbons 3

4 World Energy Outlook 2009 mais qui méritent de l attention Ressources techniques mondiales récupérables 380 Tm³ IFP EN Tm³

5 Faculté Polytechnique Capacités de stockage Milieu poreux Porosité Saturations

6 Notion de milieu poreux = + Porosité : V : volume total Milieu poreux Squelette Fluide V v : volume des vides (pores et fissures) V s : volume des solides Vv V Vs Vv V V V V v s 6

7 Ramos da Silva et al., 2010 Mesure de la porosité Par séchage - saturation - pesées : φ = W sat W dry γ fl V sample 100 Porosimétrie au mercure : pores entre 200 et 0,0036 µm distinction micro-macro porosité Exemple : Calcaire de Sorcy φ 30% Rayon équivalent des pores entre 0,1 et 1 µm 7

8 (d après CSUG, Canadian Society for Unconventional Gas) Les schistes, milieux poreux Exemples macroscopiques de schistes à gaz : Black shale (Utica, Québec) Interstratifié shale-siltite Shale fracturé 8

9 Les schistes, milieux poreux Particularité = minéraux argileux propriétés spécifiques : Haute surface spécifique Haute surface de charge Contenu en eau très élevé Haute sensibilité à la chimie de leur environnement Kaolinite 15 m²/g Smectite 800 m²/g SPE

10 Kansas Geological Survey, 2006 Les charbons, milieux poreux 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 10

11 Littke et al 2011 Taille des pores Gas shale Porosité typique : 1 à 15% Charbon Porosité typique : 0,1 à 10% 11

12 Saturations Les roches réservoirs contiennent de l eau, de l huile et du gaz Saturation = part de chaque fluide dans la porosité : S w pour l eau S o pour l huile S g pour le gaz V v V g V o V w S w = V w V v S o = V o V v S g = V g V v S w + S o + S g = 1 12

13 Faculté Polytechnique Mécanismes de transport Conductivité hydraulique Diffusion Désorption

14 Conductivité hydraulique Charge hydraulique : h = v2 2g + p γ fl z P 1 P 2 Loi de Darcy : q = k p μ A L q : débit (cm 3 /s) k : perméabilité (Darcy) p: gradient de pression du fluide (atm) La perméabilité dépend du fluide considéré (viscosité) 14

15 Et s il y a plusieurs fluides? Hypothèse : non-miscibles milieu saturé Perméabilité effective k e pour chaque fluide (Darcy) Perméabilité relative k r Rapport de la perméabilité effective à la perméabilité absolue Dépend de la saturation et de la mouillabilité 15

16 Mesure de perméabilité Hautes perméabilités : Liquides : cellule Hassler Gaz : débit massique du gaz = constant mais pas le débit volumique (compressibilité) Faibles perméabilités : régime transitoire Drawdown Build-up Pulse Réservoir de gaz Echantillon Capteur de pression différentielle Méthode de drawdown Pompe à vide 16

17 Littke et al 2011 Perméabilités des réservoirs non-conventionnels 1 millidarcy 1 darcy Médiocre Excellent Perméabilité (darcy) Charbon (CBM) Tight gas sandstone Gas shale Perméabilité (m²) 17

18 Mécanisme de diffusion Equation de transport : q i r = s L rs ij j C s q r i flux massique de l espèce ionique r dans la direction i C s concentration de l espèce s L rs ij coefficient de diffusion de l espèce r en présence de s à une concentration C s Conservation de la masse : Equation de diffusivité : 2 C r q r = mr t x 2 = 1 L r C r t 18

19 Mécanisme de désorption 19

20 Clarkson et al Mécanismes de transport dans les réservoirs de gaz de schiste Gaz sous différentes formes : Adsorbé Dissout Libre Mécanismes à différentes échelles : Écoulement hydraulique dans les fractures Diffusion à travers la matrice, les microet méso-pores Désorption des surfaces microporeuses Echelle : Macro Méso Micro Nano Moléculaire 20

21 Mécanismes de transport dans les charbons Désorption des surfaces des cleats Diffusion à travers la matrice Ecoulement hydraulique selon les fractures Kansas Geological Survey,

22 Faculté Polytechnique A l échelle du réservoir Quelques exemples en production

23 Taux de production (Mmcfe/d) Production cumulée (Bcfe) Profil de production type en gaz de schiste Haynesville shale 80 % EUR en 10 ans SPE , d après EIA

24 Gas Research Institute, 1996 Profil de production typique en CBM 24

25 Faculté Polytechnique Conclusion

26 Schistes et charbons : des réservoirs pas comme les autres Conventionnel Schistes Charbons Porosité bonne : 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 Perméabilité Mécanismes de transport 1 Darcy = excellent 1md = médiocre Gaz libre Écoulement hydraulique 10-6 à darcy 10-2 à 10-6 darcy Gaz libre + gaz adsorbé Écoulement hydraulique (fractures) Diffusion (matrice, micro- et méso-pores) + Désorption (surfaces microporeuses, cleats)

27 Faculté Polytechnique Merci de votre attention

28 28

29 Perméabilité des réservoirs Conduct. Hydr. (cm/s) Perméabilité (darcy) 29

30 Lorsque les argiles s en mêlent 30

31 Littke et al., 2011 L eau influence considérablement les capacités d adsorption 31

32 Avec la profondeur, la porosité et le contenu en gaz adsorbé diminuent 32