Récupération microbiologique améliorée du pétrole : modèle d'ondes cinématiques et analyse asymptotique

Microbiological Enhanced Oil Recovery : Model of Kinematic Waves and Asymptotic Analysis

• Auteur / Autrice : Akerke Mukhamediyarova
• Direction : Mikhail Panfilov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 20/05/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Melika Hinaje
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhail Panfilov, Sergey Oladyshkin, Brahim Amaziane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergey Oladyshkin, Brahim Amaziane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrole -- Récupération secondaire

Méthode asymptotique numérique

Modèles mathématiques

Cinétique chimique

Écoulement polyphasique

Surfactants biologiques

Microbiologie industrielle

Mots clés libres

Récupération microbiologique assistée du pétrole (RAMP)

Cinétique microbienne

Bactéries

Réactions biotiques

Faible réactivité

Ondes cinématiques

Solution asymptotique

Microbiological enhanced oil recovery (MEOR)

Microbial kinetics

Bacteria

Biotic reactions

Weak reactivity

Kinematic waves

Asymptotic solution

Résumé

L’un des objectifs stratégiques de l’industrie pétrolière moderne est le développement réserve effective de pétrole à haute viscosité, caractérisées par une faible mobilité entraînant une forte baisse du facteur de récupération du pétrole. Le développement de tels réservoirs par des méthodes traditionnelles (déplétion naturelle, injection d’eau, etc.) n’est souvent pas efficace. L’alternative est une application de méthodes de récupération actives, en d’autres termes, des méthodes de récupération assistée du pétrole. Dans cette thèse, nous analysons les problèmes de modélisation du déplacement du pétrole par l’eau en présence de bactéries produisant des agents chimiques actifs qui changent favorablement les propriétés du pétrole et de l’eau. Plus strictement, nous analysons les bactéries produisant un biosurfactant qui réduit les effets négatifs du piégeage d’huile capillaire en milieux poreux. Un tel problème fait partie de la théorie générale de l’écoulement multiphase multicomposant partiellement miscible avec des réactions chimiques, couplé à la dynamique de la population. Le modèle mathématique général du processus est présenté, qui a été réduit au modèle des ondes cinématiques, grâce à plusieurs simplifications admissibles. Plus exactement, nous avons obtenu le système de cinq équations différentielles en dérivées partielles non linéaires du premier ordre, qui peuvent avoir des solutions discontinues. Un tel système ne peut être étudié que numériquement dans le cas général. Cependant, nous avons montré que pour un cas particulier, ce modèle peut être complètement analysé qualitativement. Pour une telle analyse, nous avons introduit le concept de faible bioréactivité. Elle correspond au comportement asymptotique du modèle général lorsque le taux de cinétique bactérienne tend vers zéro. En appliquant la technique de développement asymptotique, nous avons obtenu la solution semi-analytique du problème de déplacement. En particulier, cela nous a offert la possibilité de détecter les discontinuités (les chocs) de différents types et d’analyser exactement leur structure. Le cas général du taux cinétique arbitraire a été étudié numériquement, en utilisant le code COMSOL MULTIPHYSICS. Nous avons analysé l’impact du taux de croissance microbien, des concentrations microbiennes et nutritives, de la forme des fonctions cinétiques et du rapport de viscosité sur la récupération de l’huile. Dans le dernier chapitre, nous avons simulé un cas réel d’un champ pétrolier kazakh. Le principal et unique outil d’étude de la récupération microbiologique assistée du pétrole (RAMP) était l’analyse numérique, alors qu’il manquait des solutions analytiques. Les solutions semi-analytiques que nous avons obtenues comblent cette lacune. Ils représentent des résultats exacts qui pourraient être utilisés pour vérifier la validité de divers schémas et codes numériques.

One of the strategic objectives of the modern oil industry is the efficient development of high-viscosity oil reserves, which are characterized by low mobility leading to a sharp decline in the oil recovery factor. The development of such reservoirs by traditional methods (natural drives, waterflooding etc.) is frequently not efficient. The alternative is an application of active recovery methods, in other words, enhanced oil recovery methods. In this thesis we analyze the problems of modelling the displacement of oil by water in presence of bacteria producing some active chemicals that change favorably the properties of oil and water. More strictly, we analyze the bacteria producing biosurfactant that reduces the negative effects of capillary oil trapping in porous media. Such a problem makes part of the general theory of multiphase multicomponent partially miscible flow with chemical reactions, coupled with the dynamics of population. The general mathematical model of the process is presented, which is reduced next to the model of kinematic waves, due to several admissible simplifications. More exactly, we have obtained the system of five nonlinear partial differential equations of the first order, which can have discontinuous solutions. Such a system can be studied only numerically in the general case. However, we have shown that for a particular case this model can be completely analyzed qualitatively. For such an analysis, we have introduced the concept of weak bioreactivity. It corresponds to the asymptotic behavior of the general model as the rate of bacterial kinetics tends to zero. Applying the technique of asymptotic expansions, we have obtained the semi-analytical solution to the displacement problem. In particular, this offered us the possibility to detect the discontinuities (chocks) of various types and to analyze exactly their structure. The general case of arbitrary kinetic rate was studied numerically, by using the code COMSOL MULTIPHYSICS. We analyzed the impact of the microbial growth rate, microbial and nutrient concentrations, the form of kinetic functions and the viscosity ratio on the oil recovery. In the last chapter, we simulated a field case for a Kazakhstani oil field. The main and unique tool of studying MEOR was the numerical analysis, whilst analytical solutions were missing. The semi-analytical solutions we have obtained fill this gap. They represent exact results that could be used to check the validity of various numerical schemes and codes.