Impact de la température sur les propriétés mécaniques et acoustiques des roches concernées par la production en SAGD, lors de l'injection de vapeur dans les réservoirs d'huile lourde

par Dinh Hong Doan

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Pierre Delage.

Soutenue le 10-10-2011

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) , Navier (laboratoire) et de Navier (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Gueguen.

Le jury était composé de Pierre Delage, Maurice Dusseault, Marc Mainguy, Jean-François Nauroy.

Les rapporteurs étaient Maria Zamora, Jian-Fu Shao.


  • Résumé

    L'injection de vapeur lors de la production des bruts lourds par SAGD soumet les roches réservoirs (sables bitumineux non consolidés ou faiblement consolidés) à une élévation de température (jusqu'à 280°C). L'apport de fluide chaud augmente la pression de pore, dilate le squelette rocheux et le fluide interstitiel, ce qui modifie le champ de contrainte in situ. Le travail de thèse, à forte connotation expérimentale, vise à contribuer à la caractérisation mécanique et acoustique des réservoirs bitumineux sous différentes conditions de température, de contrainte et de saturation. Les travaux ont été effectués sur des échantillons de sables bitumineux Canadiens, mais également sur un matériau modèle, un sable reconstitué artificiellement cimenté. Plusieurs techniques expérimentales ont été mises en œuvre pour caractériser les matériaux utilisés : tomographie RX, microtomographie RX, cryomicroscopie, RMN, etc. Des essais ont ensuite été effectués dans une cellule oedométrique, une cellule pétroacoustique et également dans une cellule triaxiale dite haute température qui a été développée dans le cadre de cette thèse.Les divers essais de chargement mécanique et thermique dans cette thèse ont permis d'enrichir les connaissances sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sables bitumineux ainsi que celui des sables reconstitués. Les paramètres investigués ont été la dilatation thermique, la compressibilité sous chargement oedométrique et triaxial isotrope et la résistance au cisaillement. Les différentes mesures des propriétés acoustiques (vitesses Vp et Vs, atténuations et modules dynamiques) effectués sur les sables naturels et reconstitués ont montré l'importance des propriétés des fluides saturants, principalement de leur viscosité. Le bitume est un fluide viscoélastique avec une viscosité qui varie avec l'élévation de la température. Aux températures in situ, il se comporte comme un solide avec un module de cisaillement. L'approche théorique de Ciz et Shapiro (2007), permet de prendre en compte ce module de cisaillement du fluide visqueux et généralise l'équation de Biot Gassmann. Son utilisation a été validée sur nos essais. La modélisation prend en compte les aspect dispersifs et permet d'extrapoler aux fréquences sismiques des résultats acquis en laboratoire avec des fréquences ultrasonores. Les vitesses Vp et Vs diminuent avec le passage de la chambre de vapeur. Les variations sont faibles mais peuvent être identifiées par la sismique 4D

  • Titre traduit

    Effects of temperature on the mechanical and acoustical properties of rocks during the SAGD process


  • Résumé

    The steam assisted gravity drainage (SAGD) has been successfully used to enhance the recovery of heavy oil in Western Canada and Eastern Venezuela basins. Temperature, pressure and pore fluid variations during SAGD operations induce complex changes in the. properties of the heavy oil sand reservoir. This dissertation focuses on the geomechanical and acoustic behaviours of oil sand and how they change under various temperature, pressure and pore fluid conditions. Both natural oil sands samples and reconstituted samples were tested in this research program. Several experimental techniques have been used to characterize the materials including X-Ray tomography, X-ray microtomography, cryomicroscopy, NMR. Natural oil sands samples, characterized by high permeability, high porosity and an interlocked structure have been extracted from the estuarine McMurray Formation in Athabasca (Alberta, Canada). Reconstituted samples, made up of slightly cemented Fontainebleau sand, have been considered as possible analogues of the natural oil sands. Tests have been carried out in high pressure oedometer cells, in an isotropic pressure cell and in a new high temperature triaxial cell. The various geomechanical and thermal tests have been carried out to better understand the thermo-hydro-mechanical behaviour of natural oil sands and of reconstituted samples. The parameters investigated were the thermal dilatation, the bulk compressibility (under oedometric and isotropic loading) and the shear strength. The acoustic measurements (P and S-wave velocities, attenuations and dynamic modules, etc.) performed on natural oil sands and reconstituted samples showed the importance of the saturating fluids properties, mainly through viscosity. Bitumen has a viscoelastic behaviour with a non-negligible shear modulus that depends strongly on temperature and frequency and that allows shear wave propagation. The theoretical approach of Ciz and Shapiro (2007), that accounts for the effects of the shear modulus of the viscous fluid and generalizes the Biot – Gassmann equation, has been validated by our tests. The model takes into account the dispersive aspects and allows the results obtained in the laboratory with ultrasonic frequencies to be extrapolated to seismic frequencies. Velocities Vp and Vs decrease with the steam invasion. Changes are small but can be detected by 4D seismic


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