Effet de l’injection d’eau de production sur la perméabilité des réservoirs pétroliers non cimentés

par Sadok Feia

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Jean Sulem.

Soutenue le 17-02-2015

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) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Jianfu Shao.

Le jury était composé de Jean Sulem, Gioacchino Viggiani, Farimah Masrouri, Jean-Claude Dupla, Siavash Ghabezloo.

Les rapporteurs étaient Arézou Modaressi, Ahmed Benamar.


  • Résumé

    Des phénomènes de colmatage de la structure granulaire des réservoirs pétroliers sont observés lors de la réinjection d'eau de production dans le réservoir (endommagement hydrique). Le dépôt des particules solides en suspension dans l'eau de production peut engendrer une réduction de la perméabilité du réservoir notamment autour des puits d'injection. Il en résulte une diminution significative de l'injectivité des puits. L'objectif de cette thèse est d'étudier le processus de transport et de dépôt des particules solides dans un réservoir de sable et son influence sur la perméabilité du milieu. Nous étudions également l'influence de certains paramètres tels que : la concentration en particules, le débit d'injection, la taille de particules injectées, la taille des pores du milieu et la rugosité de la surface des grains. La finalité de ce travail est de proposer un modèle prédictif de transport-dépôt-endommagement afin de pouvoir estimer la pérennité du système. Dans ce but, une campagne d'essais expérimentaux est menée sur le processus de transport et de dépôt des particules siliceuses de taille de quelques microns dans une éprouvette de sable dense. Ces essais ont été réalisés sur trois dispositif différents ; deux dispositifs d'injection unidimensionnelle (colonne d'injection et cellule d'injection) et un dispositif d'injection radiale en chambre d'étalonnage en vue de simuler les conditions d'injection en puits. Dans ces essais, les conditions hydrauliques sont contrôlées et la concentration en particules dans la suspension est imposée. Au cours de l'injection, le suivi de l'évolution de la pression interstitielle est réalisé en utilisant des capteurs de pression installés à différents endroits dans le milieu. La concentration des particules dans le fluide sortant est mesurée en utilisant un turbidimètre installé à la sortie du milieu. L'étude expérimentale réalisée sous différentes conditions a permis de mettre en évidence une forte hétérogénéité du dépôt des particules dans le milieu poreux. Cette hétérogénéité se traduit par la formation d'un cake interne et/ou externe au voisinage du point d'injection. L'analyse de ce cake montre un milieu à double porosité avec deux familles de pores correspondant à la porosité interne des agglomérats formés par les particules déposées et la porosité du sable réduite progressivement par le dépôt de ces derniers. Une étude paramétrique a permis de mettre en évidence une distinction entre l'effet des faibles et des fortes concentrations, ainsi que l'importance de l'effet du débit d'injection, de la taille des pores, de la taille des particules de la suspension ainsi que de la rugosité de la surface des grains. Ce travail expérimental s'accompagne d'une modélisation des phénomènes de transport et de dépôt des particules dans un milieu poreux. Dans un premier temps, nous avons utilisé un modèle de convection dans lequel la loi décrivant le dépôt des particules prend en compte la densité des particules déposées ainsi que le relargage des particules. Les paramètres de la loi constitutive de dépôt, ainsi qu'une loi empirique porosité-perméabilité ont été calibrés en simulant les résultats expérimentaux d'essais d'injection en cellule sous différentes conditions. Un nouveau modèle semi analytique basé sur le modèle d'Eylander (1988) a été développé dans lequel nous prenons en compte une distribution spatiale des particules déposées et une double porosité du milieu (cake et milieu granulaire). Cette distribution est inspirée du modèle convection étudié auparavant. La simulation d'essais d'injection en cellule a permis de montrer les capacités du modèle pour la prédiction des variations de la pression en cours de l'essai. Ce modèle permet une prédiction de l'évolution de la perméabilité pendant l'injection de façon plus simple et directement applicable dans l'ingénierie de réservoirs

  • Titre traduit

    Produced water injection effect on the permeability of uncemented oil reservoirs


  • Résumé

    Hydraulic damage and plugging of the granular structure of oil reservoirs are commonly observed during the re-injection of produced water. These phenomena can lead to a significant decrease of the reservoir permeability around the injectors and affect the injectivity of these wells. The objective of this thesis is to study the transport and deposition process of solid particles in a sand reservoir and its influence on the permeability of the medium. We also study the influence of certain parameters such as particle concentration, injection flow rate, the size of injected particles, the pore size of the medium and the surface roughness of the grains. The aim of this work is to propose a predictive model of transport-deposition-damage in order to estimate the durability of the system. For this purpose, an experimental program was conducted on the transport and deposition process of the siliceous particles of size of a few microns in dense sand specimens. These tests were carried out on three different devices; two one-dimensional injection devices (injection column and injection cell) and a radial injection device in “chambre d'étalonnage” in order to simulate the injection wells conditions. In these tests, the flow conditions are controlled and the concentration of particles in the suspension is imposed. During injection, the monitoring of the evolution of pore pressure is carried out using pressure sensors located in different places in the medium. The particle concentration in the outgoing fluid is measured using a turbidimeter installed at the outlet. The experimental study carried out under different conditions allowed to highlight a highly heterogeneous particle deposition in the porous medium. This heterogeneity results in the formation of an internal and/or external cake in the vicinity of the injection point. The analysis of this cake shows a double porosity medium with two pore families corresponding to the internal porosity of the agglomerates formed by the deposited particles and porosity of the sand gradually reduced by the particles deposition. A parametric study permitted to show a distinction between the effect of low and high particles concentrations, as well as the importance of the effect of injection flow rate, the pore size, the particle size of the suspension and the roughness of the surface of the grains. This experimental work is associated with modelling of transport and deposition of particle in a porous medium. We used first the convection model in which a constitutive law describing the particle deposition takes into account the effects of the deposited particles concentration and the release of particles. The parameters of the particle deposition constitutive law as well as an empirical porosity-permeability law have been calibrated by simulation of the results of injection tests performed in the injection cell under different conditions. A semi-analytical model based on the Eylander (1988) model was developed in which we take into account a spatial distribution of the deposited particles and a double porosity of the medium (cake and granular medium). This distribution is inspired from the results if convection model studied before. The simulation of the results of injection experiments permitted to show the performances of this model for prediction of the pore pressure evolution during the fluid injection. This model allows prediction of the permeability evolution in a simpler and directly applicable manner in the reservoir engineering


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