Sur la stratification des fluides pétroliers dans les réservoirs : migrations sélectives des hydrocarbures pardiffusionthermogravitationnelle en milieu poreux.

Abstract

Cette étude, à finalité géochimique, a pour but de contribuer à une connaissance plus complète des phénomènes aboutissant à la stratification des fluides pétroliers dans les roches réservoirs. Une modélisation satisfaisante de la composition des fluides de gisement est en effet recherchée pour comprendre leurs répartitions naturelles, mais aussi pour prévoir au mieux les conditions optimales de production. Il est apparu, à la suite de recherches récentes (EL MAATAOUI, 1986 ; COSTESEQUE et al., 1987, 1994 ; MONTEL, 1989) que les phénomènes de thermodiffusion devraient être pris en compte dans l’évolution des concentrations d’hydrocarbures dans les roches magasins, et notamment la diffusion thermogravitationnelle (résultant du couplage thermodiffusion-convection) qui peut provoquer dans des colonnes à garnissage poreux des ségrégations considérables entre les espèces d’hydrocarbures. La première partie consiste en des rappels sur la formation des gisements et sur les acquis théoriques indispensables à la compréhension des phénomènes de thermodiffusion. La présence d’une accumulation pétrolifère en un lieu donné est, en effet, la conséquence d’une somme d’événements nombreux et indépendants depuis la production de la matière organique jusqu’au piégeage des hydrocarbures dans une roche magasin convenable. L’ensemble des phénomènes, faisant partie intégrante de l’histoire géologique de la région considérée, se déroule sous des gradients géothermiques qui sont (ou ont été) parfois remarquables. Ainsi des colonnes d’huile ou de gaz post-migration peuvent encore évoluer en fonction du temps sous l’effet de forces variée (pression, gravité, gradients de température…) et aboutir à une répartition spatiale d’hydrocarbures différente de celle du modèle diagénétique habituel, comme il a pu observé sur le terrain (CHIARELLI et DUROUCHET, 1977 ; DURAND et OUDIN, 1979). La deuxième partie est consacrée aux études expérimentales sur la diffusion thermogravitationnelle en milieu poreux (DTG-MP) effectuées sur des huiles naturelles provenant principalement de la province pétrolifère de la mer du Nord (Oseberg, Alwyn et Brent). Les huiles utilisées ont été prélevées au niveau de roches réservoirs essentiellement gréseuses, d’âge Jurassique, à des intervalles de profondeurs de 2704-2728 m (Oseberg), 3175-3184 (Alwyn) et 3437-3459 m (Brent). Sous action thermogravitationnelle, ces huiles naturelles subissent une modification importante de composition par migration sélective des espèces hydrocarbonées aux différents niveaux des colonnes de thermodiffusion. L’intensité des ségrégations produites, mesurée par rapport des concentrations qu’entre les deux niveaux extrêmes du garnissage poreux, dépend essentiellement de la masse moléculaire et de la configuration structurale des espèces. Globalement, et sans distinction de la structure, les hydrocarbures dont le nombre d’atomes de carbone est inférieur à 10, 12 ou 14, selon le brut, migrent vers le haut (la mobilité des espèces étant d’autant plus intense que le nombre de carbone est plus faible). Au-delà de C11, C15 ou C17, selon la composition initiale de l’huile, des hydrocarbures s’enrichissent vers le bas. Ces deux grandes coupes moléculaires sont séparées par une zone massique de transition oû la répartition des hydrocarbures est peu modifiée. La migration différentielle par thermodiffusion se produit aussi non seulement entre différentes familles structurales mais également au sein de celles-ci (en fonction du nombre d’atomes de carbone) ainsi qu’entre isomères dont les caractéristiques physico-chimiques est pourtant très voisines. On montre que les différentes familles ont une mobilité thermodiffusionnelle se classant dans l’ordre croissant : cyclo-paraffines, aromatiques, iso-paraffines et n-paraffines, les plus mobiles, migrent de manière importante vers le haut du massif poreux avec des rapports n-paraffines/isoprénoïdes homologues maxima alors que, dans le bas, ces teneurs relatives apparaissent presque identiques, voire même inversées. Au sein des isoprénoïdes, le rapport pristane/phytane (utilisé comme marqueur géochimique) est très peu modifié et pourra donc rester significatif, même sous l’hypothèse d’une intervention efficace des phénomènes de thermodiffusion au cours des temps géologiques. Les migrations différentielles entre structures isomères apparaissent très sensibles à la position des radicaux méthyl ou éthyl sur la chaine linéaire ou le noyau cyclique. Des corrélations entre, d’une part, les facteurs de concentration (et donc les coefficients de thermodiffusion) et d’autre part certaines caractéristiques physico-chimiques des différents isomères ont pu être mises en évidence. Il apparait que l’évolution du coefficient de concentration s’effectue en sens contraire de celle de la densité, de la température d’ébullition et de l’indice de réfraction alors que cette évolution suit celle du volume critique associé à chacun des isomères. Des ségrégations du même type, mais plus intense, entre hydrocarbures et entre isomères, sont observées lorsque la phase huileuse est superposé à une phase aqueuse saumâtre. Dans ce cas l’interface eau-huile, initialement plane, évolue en devenant une zone où coexistent des hydrocarbures hautement enrichis en composés lourds de l’eau appauvrie en sels dissous. Par des expériences spécifiques on montre aussi que les stratifications provoquées par diffusion thermogravitationnelle existent encore lorsque le gradient thermique est vertical descendant, donc voisin de l’orientation du gradient géothermique moyen. A la suite des résultats obtenue dans ce travail, il est possible de dire, qualitativement, que le développement de la diffusion thermogravitationnelle au sein d’huiles piégées peut provoquer une stratification progressive des espèces dont les grandes tendances sont, par ordre décroissant de concentration relative depuis le haut vers le bas du milieux poreux imprégné : n-alcanes légers, isoparaffines légères (sauf position 3), n-paraffines de masse moléculaire moyenne, anté-iso-alcanes, n-paraffines de masse moléculaire élevée, isoprénoïdes, cyclo-paraffines et aromatiques à un cycle, isoparaffines lourdes, cycliques et aromatiques, polycycliques saturés et insaturés, résines et asphaltènes. Cette répartition est comparable à celles de nombreuses accumulations pétrolifères post-migration où souvent les horizons supérieurs sont relativement riches en condensats et produits légers essentiellement paraffiniques, le mur (proche du contact avec l’aquifère) étant souvent riche en pétrole lourd hautement asphaltique. Enfin, on a montré qu’après suppression du gradient thermique toutes les modifications dans les répartitions spatiales des hydrocarbures induites par la diffusion thermogravitionnelle en milieu poreux sont maintenues sur des durées supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles nécessaires à leur établissement, sans que l’on observe de réhomogénéisation par diffusion moléculaire.