... Phases Magazine N° 15
A table !

MAI 1997 N° 16

Du pétrole et des idées ...


Gisement à Lacq - photo ELF

Une équipe du Laboratoire Pierre Süe collabore depuis 1988 avec l'Institut Français du Pétrole, en vue d'étudier les interactions physico-chimiques entre les composés organiques du pétrole et les surfaces minérales constituant les gisements pétroliers.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet visant à optimiser la stratégie de récupération du pétrole pour en accroître le taux d'extraction. En effet, à l'heure actuelle, seulement 40 à 50 % des réserves de pétrole sont extraites d'un gisement pétrolier. L'objectif de l'étude est de décrire et de mieux comprendre les associations organo-minérales en contexte pétrolier. Étant donné la diversité des molécules présentes dans le pétrole et la variété des roches-réservoirs, il est important de rechercher quels sont les minéraux les plus impliqués dans les phénomènes de rétention de matière organique et de caractériser les molécules issues du pétrole, susceptibles d’être retenues. Nos études s’appuient sur l'utilisation de différentes techniques complémentaires, parmi lesquelles la microanalyse nucléaire, la microscopie électronique à balayage et à la microscopie à force atomique.

Des composés qui s'accrochent ...

Le taux de récupération du pétrole est étroitement lié à l'existence, à l'échelle microscopique, de deux types d'interactions : (1) les interactions de nature physico-chimique (liaisons hydrogène, réactions acide-base, liaisons électrostatiques), intervenant entre certains composés particulièrement réactifs du pétrole, tels que les composés polaires comprenant de l’azote, de l’oxygène ou/et du soufre (hétéroatomes) et les surfaces minérales ; (2) les interactions de nature mécanique qui sont à l’origine de la localisation du pétrole dans les rugosités ou les fractures des surfaces minérales.


Figure 1 : Spectre des réactions nucléaires d'une couche d’asphaltènes sur un fritté de silice

Pour modéliser un grès de réservoir pétrolier, des lames de verre de silice, des frittés de silice et des argiles (illite et kaolinite), fréquemment associées aux grès de gisement, ont été choisis comme échantillons modèles. Parmi les composés organiques présents dans le pétrole, des fractions lourdes ("asphaltènes") contenant des hétéroatomes, puis des fractions azotées légères (pyridine, pyrrole) ont été sélectionnées. Les échantillons modèles ont été mis au contact des différents composés organiques, pendant 1 et 8 jours, à pression et température ambiantes et en l'absence de saumure (eau salée des gisements pétroliers).

Des faisceaux qui nous éclairent ...

Pour accéder aux informations concernant les associations organo-minérales, les caractéristiques des dépôts organiques formés, telles que l’épaisseur, la structure et la composition chimique, ont été déterminées après la mise en contact solide/solution.

La microanalyse nucléaire a permis le dosage d’éléments constitutifs de la matière organique (carbone, azote, soufre) par l’exploitation de réactions nucléaires et de l'émission de rayons X induite par des protons (Phases Magazine n°7). La figure 1 représente le spectre de rétrodiffusion élastique d'un fritté de silice mis au contact d'une solution d'asphaltène. Ce spectre présente différents signaux liés à la rétrodiffusion élastique des protons incidents en surface des atomes de la cible. Le pic d’or est attribué à la couche de métallisation déposée en surface de l’échantillon afin de le rendre conducteur. Les signaux d’oxygène et de silicium sont caractéristiques du substrat de silice. Enfin, le pic de carbone, révélateur de la présence de matière organique, permet de déduire la concentration de carbone et l’épaisseur du dépôt organique.


Photo 2 : Image de microscopie électronique à balayage d’une lame de verre imprégnée d’asphaltène montrant la répartition de la matière organique

La microscopie électronique à balayage et la microscopie à force atomique ont permis de caractériser la distribution et la structure des dépôts organiques formés en surface des minéraux. La photo 1 représente une image de microscopie électronique à balayage en mode "électrons rétrodiffusés" de la distribution d’asphaltène à la surface d'une lame de verre. Les zones claires se rapportent au substrat de verre tandis que les parties foncées correspondent à la matière organique. La comparaison d’images obtenues par les deux types de microscopies,montre une hétérogénéité spatiale des dépôts organiques qui ne semble pas reliée à la rugosité du minéral.

L’association des trois techniques apporte toute l’information nécessaire. En effet, des résultats marquants se dégagent d’ores et déjà de cette étude. Plusieurs facteurs semblent influencer de manière sigificative la rétention de matière organique : (1) la nature du substrat minéral ; (2) le type de composé organique ; (3) les fractions lourdes comparati- vement aux molécules azotées légères ; (4) le rôle majoritaire de l’azote par rapport à celui du soufre dans la rétention des fractions lourdes par les surfaces minérales.

"Des projets d'avenir ..."

Actuellement, ces études sont menées exclusivement à l'échelle du laboratoire. Pour les adapter aux conditions réelles d'un réservoir pétrolier, il est indispensable d'approfondir la compréhension des associations organo-minérales dans ce contexte. Cette ambition implique : (1) d'élargir la gamme de molécules organiques et de surfaces minérales modèles, (2) de se rapprocher des conditions physico-chimiques du gisement pétrolier (présence de saumure, pression, température, acidité).


Pour en savoir plus :

F. Mercier, N. Toulhoat, P. Trocellier, C. Durand and M. Bisiaux "Characterization of organic matter in oil related rocks : experimental approach and illustration"
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Vol. B77 (1993) 492-498.
F. Mercier, N. Toulhoat, P. Trocellier and C. Durand
"Characterization of organic matter/minerals associations in oilfield rocks using the nuclear microprobe"
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Vol. B85 (1994) 874-880.

Contacts :

Florence Mercier, Nelly Toulhoat / Patrick Trocellier (LPS).
Claudine Durand (IFP).

Le Comité de rédaction


Phases Magazine N° 16
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