From Organic Geochemistry to Statistical Thermodynamics: the Development of Simulation Methods for the Petroleum Industry

De la géochimie organique à la thermodynamique statistique : développement de méthodes de simulation pour l'industrie pétrolière

Institut français du pétrole

Corresponding author: philippe.ungerer@ifp.fr

Abstract

This work is a synthesis of researches to which the author contributed successively in three areas of applied research. The first of these areas is petroleum organic geochemistry, which is aimed to understand the formation of petroleum reservoirs from detailed analyses of the composition of fossil fuels, experimental simulations in the laboratory by pyrolysis, and reconstructions of the geological history of the sedimentary basins concerned. These reconstructions, which imply the mathematical simulation of many coupled mechanisms such as thermal cracking, fluid flow in porous media, sedimentation, sedimentary rock ;compaction and inter-phase equilibria, were the subject of the author's main contributions in this field. The results obtained at IFP in the 1980s, as part of a multidisciplinary team project, provided the basis for numerous industrial applications in connection with the new discipline of basin models. The second of these areas is petroleum thermodynamics, which involves measuring and predicting the equilibrium and transport properties in crude oil and natural gas production and processing. The contribution of the work presented in this vast area was to characterize petroleum fluids at high pressure, ;both by experimental identification of the phase diagrams specific to certain HP-HT fluids, and the prediction of their properties by means of equations of state. It also allowed a more accurate understanding of how the phase equilibria between oil and gas were likely to alter the composition of petroleum fluids. The third area of study is statistical thermodynamics, whose applications have recently soared with the generalization of molecular simulation. Monte Carlo and molecular dynamics methods not only offer an understanding at microscopic scale, but also a more reliable prediction of the equilibrium and transport properties in many cases where classical macroscopic models are limited by their empirical character. By relying on this occasion on close collaboration with a university team, it was possible to implement improved algorithms and to develop a new intermolecular potential to meet the needs of the petroleum industry. Thus effective applications of molecular simulation materialized in the processing of H2S gases, separations by adsorption in zeolites, and the calculation of properties of commercially unavailable hydrocarbons. These three areas, which appear very different at first glance, display significant similarities, like their dominant articulation around physical chemistry, their need of new software, and the empirical optimization of parameters whereof a physical meaning is nonetheless expected.

Résumé

Le travail présenté constitue une synthèse des travaux auxquels l'auteur a contribué successivement dans trois domaines de recherche appliquée. Le premier de ces domaines est la géochimie organique pétrolière, qui se donne pour objectif de comprendre la formation des gisements pétroliers à partir d'analyses détaillées de la composition des combustibles fossiles, de simulations expérimentales en laboratoire par pyrolyse et de reconstitutions de l'histoire géologique des bassins sédimentaires concernés. Ces reconstitutions, qui impliquent la simulation mathématique de nombreux phénomènes couplés comme le craquage thermique, l'écoulement des fluides en milieux poreux, la sédimentation, la compaction des roches sédimentaires et les équilibres entre phases, ont été l'objet des principales contributions de l'auteur dans ce domaine. Les résultats obtenus à l'IFP dans les années 1980, dans le cadre d'un travail d'équipe pluridisciplinaire, ont fourni les bases à de nombreuses applications industrielles dans le cadre d'une discipline nouvelle, les modèles de bassin. Le deuxième de ces domaines est la thermodynamique pétrolière, où l'on s'attache à mesurer et à prédire les propriétés d'équilibre et de transport dans les procédés de production ou de traitement des pétroles bruts ou des gaz naturels. L'apport du travail présenté à ce domaine très vaste a été de caractériser des fluides pétroliers à haute pression, tant par la mise en évidence expérimentale des diagrammes de phase particuliers à certains fluides HP-HT que par la prédiction de leurs propriétés au moyen d'équations d'état. Il a permis aussi de comprendre plus précisément comment les équilibres de phase entre huile et gaz étaient susceptibles de modifier la composition des fluides pétroliers. Le troisième domaine d'étude abordé est la thermodynamique statistique, dont les applications connaissent depuis peu une forte croissance avec la généralisation de la simulation moléculaire. Les méthodes de Monte Carlo ou de dynamique moléculaire apportent non seulement une compréhension à l'échelle microscopique, mais aussi une prédiction plus fiable des propriétés d'équilibre et de transport dans de nombreux cas où les modèles macroscopiques classiques sont limités par leur caractère empirique. En s'appuyant cette fois sur une collaboration étroite avec une équipe universitaire, il a été possible de mettre en Suvre des algorithmes améliorés et de développer un nouveau potentiel ntermoléculaire afin de répondre aux besoins de l'industrie pétrolière. C'est ainsi que des applications effectives de la simulation moléculaire ont vu le jour dans le domaine du traitement des gaz riches en H2S, des séparations par adsorption dans les zéolithes et du calcul de propriétés d'hydrocarbures non disponibles commercialement. Bien que très différents au premier abord, ces trois domaines présentent des similitudes significatives comme leur articulation dominante autour de la physico-chimie, leur exigence en logiciels nouveaux ou l'optimisation empirique de paramètres dont on attend néanmoins un sens physique.