Benefited from the efficiency of hydraulic fracturing and horizon drilling, the production of unconventional oil and gas resources, such as shale gas and tight oil, has grown quickly in 21th century and contributed to the North America oil and gas production. Although the new enhancing oil recover (EOR) technologies and strong demand spike the production of unconventional resources, there are still unknowns in recovery mechanisms and phase behavior in tight rock reservoirs. In such environment, the phase behavior is altered by high capillary pressure owing to the nanoscale pore throats of shale rocks and it may also influence minimum miscibility pressure (MMP), which is an important parameter controlling gas floods for CO2 injection EOR. To investigate this influence, flash calculation is modified with considering capillary pressure and this work implements three different method to calculate MMP: method of characteristics (MOC); multiple mixing cell (MMC); and slim-tube simulation. The results show that CO2 minimum miscibility pressure in nanopore size reservoirs are affected by gas-oil capillary pressure owing to the alternation of key tie lines in displacement. The values of CO2-MMP from three different methods match well. Moreover, in tight rock reservoirs, the heterogeneous pore size distribution, such as the ones seen in fractured reservoirs, may affect the recovery mechanisms and MMP. This work also investigates the effect of pore size heterogeneity on multicomponent multiphase hydrocarbon fluid composition distribution and its subsequent influence on mass transfer through shale nanopores. According to the simulation results, compositional gradient forms in heterogeneous nanopores of tight reservoirs because oil and gas phase compositions depend on the pore size. Considering that permeability is small in tight rocks and shales, we expect that mass transfer within heterogeneous pore size porous media to be diffusion-dominated. Our results imply that there can be a selective matrix-fracture component mass transfer during both primary production and gas injection secondary recovery in fractured shale rocks. Therefore, molecular diffusion should not be neglected from mass transfer equations for simulations of gas injection EOR or primary recovery of heterogeneous shale reservoirs with pore size distribution. / Master of Science / The new technologies to recover unconventional resources in oil and gas industry, such as fracturing and horizontal drilling, boosted the production of shale gas and tight oil in 21st century and contributed to the North America oil and gas production. Although the new technologies and strong demand spiked the production of tight oil resources, there are still unknowns of oil and gas flow mechanisms in tight rock reservoirs. As we know, the oil and gas resources are stored in the pores of reservoir formation rock. During production process, the oil and gas are pushed into production wells by formation pressure. However, the pore radius of shale rock is extremely small (around nanometers), which reduces the flow rate of oil and gas and raises capillary pressure in pores. The high capillary pressure will alter the oil and gas phase behavior and it may influence the value of minimum miscibility pressure (MMP), which is an important design parameter for CO2 injection (an important technology to raise production). To investigate this influence, we changed classical model with considering capillary pressure and this modified model is implemented in different methods to calculate MMP. The results show that CO2 -MMP in shale reservoirs are affected by capillary pressure and the results from different methods match well. Moreover, in tight rock reservoirs, the heterogeneous pore size distribution, such as fractures in reservoirs, may affect the flow of oil and gas and MMP value. So, this work also investigates the effect of pore size heterogeneity on oil and gas flow mechanisms. According to the simulation results, compositional gradient forms in heterogeneous nanopores of tight reservoirs and this gradient will cause diffusion which will dominate the other fluid flow mechanisms. Therefore, we always need to consider molecular diffusion in the simulation model for shale reservoirs.

In spite of the large number of research works on carbon capture and sequestration (CCS), the migration and behaviour of CO2 in the subsurface (i. e. strata below the earth's surface) still needs further understanding and investigations with the aim of encouraging the governmental policy makers to adopt CCS technology as one of the most viable means to tackle the global warming threats. In this research work, a series of numerical simulations has been carried out using STOMP-CO2 simulation code to determine the flow behaviour and ultimate fate of the injected supercritical carbon dioxide (scCO2) into saline aquifers in medium terms of storage (i. e. few thousand years). The characteristics of the employed simulator, including the mathematical algorithm, governing equations, equations of states and phase equilibria calculations are explained in details.

Le stockage géologique du CO2 dans des réservoirs aquifères de type calcaire et grès, du charbon non exploité est une des solutions envisagées pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Cependant, l’injection de CO2 peut perturber les propriétés pétrophysiques (porosité et perméabilité), minéralogiques (transformations) et mécaniques (déformations, résistance à la rupture) des roches réservoir (calcaire, grès, charbon). Dans le cas du charbon, l’injection de CO2 peut également se traduire par des phénomènes de gonflement de la matrice liés au processus d’adsorption. L’objectif de ce travail de thèse est de traduire en termes de modèles phénoménologiques les comportements et les couplages chimio-poromécaniques des roches réservoir de type charbon. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés en particulier sur l’étude de l’injection de CO2 dans le charbon. Pour cela, deux modèles homogénéisés de porosité du charbon ont été développés avec la prise en compte du phénomène d’adsorption, connu pour être le principal mécanisme de production ou de séquestration de CO2 dans de nombreux réservoir de charbon. Le premier modèle permet d’étudier le comportement poro-élastique du charbon pour une injection simple de CO2 et le second permet d’étudier le comportement poro-élastique du charbon pour une injection de CO2 avec une récupération assistée de méthane CH4. Le processus d’adsorption est classiquement modélisé à l’aide de l’isotherme d’adsorption de Langmuir (pour un gaz dans le premier modèle et pour deux gaz dans le second modèle). L’implantation de ces modèles dans le Code_Aster (code d’analyse de calcul de structures entièrement couplé THM, développé par Electricité De France - EDF) nous a permis de faire des simulations numériques de stockage de CO2 dans le charbon. Pour une injection simple du CO2 dans le charbon (premier modèle), la matrice du charbon s’est comportée de deux façons différentes : elle gonfle (ce qui induit une diminution de la porosité du charbon) avec la prise en compte du phénomène d’adsorption et se contracte (ce qui induit une augmentation de la porosité du charbon) dans le cas contraire. Etant en bon accord avec les résultats de la littérature spécialisée, cela montre la capacité du modèle à prédire le comportement poro-élastique du charbon durant l’injection de CO2. Toujours avec le premier modèle, nous avons en particulier étudié l’influence des propriétés hydro-mécaniques du charbon (coefficient de Biot, module de Young/module d’incompressibilité), les paramètres d’adsorption de Langmuir et la pression initiale du liquide interstitiel dans le charbon, sur la réponse du charbon à l’injection du CO2. Dans le cas d’une récupération assistée du méthane CH4 (le second modèle), un couplage du Code_Aster et un code de transport réactif HYTEC (HYdrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, développé par MINES Paris Tech) était nécessaire pour gérer surtout le calcul des pressions partielles des deux gaz (CO2 et CH4) à chaque pas de temps. Un travail de développement numérique sur les deux codes de calcul était alors nécessaire. Ce travail de thèse a proposé une méthode de couplage entre les deux codes (Code_Aster et HYTEC) dont les techniques sont largement décrites dans le manuscrit. / The geological storage of CO2 in aquifers reservoirs such as limestone and sandstone, coal is a possible way to reduce greenhouse gas emission into the atmosphere. However, the injection of CO2 may modify petrophysical (porosity and permeability), mineralogical (transformations) and mechanical (deformations, strength) properties of reservoir rocks (limestone, sandstone, coal). In the case of coal, the injection of CO2 can also induce matrix swelling due to adsorption processes. The focus of this thesis is to translate in terms of phenomenological models, the behaviors and chemo-poromechanical coupling of reservoir rocks of coal type. In this work, we focused particularly on the study of CO2 injection into coal. For this, two models of homogenized coal porosity have been developed by taking into account the adsorption phenomenon, known to be the main mechanism of production or sequestration of CO2 in many coal reservoirs. The first model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of a single injection of CO2, and the second model allows the study of the poroelastic behavior of coal in the case of an injection of CO2 with methane CH4 recovery. The adsorption process is classically modelled using Langmuir’s isotherm (for one gas in the first model and for two gases in the second model). The implementation of these models in Code_Aster (a fully coupled Thermo-Hydro-Mechanical analysis code for structures calculations, developed by Electricity of France - EDF) allowed us to make numerical simulations of CO2 storage in coal. For a single injection of CO2 into coal (first model), the coal matrix behaved in two different ways: it swells (resulting in the decrease of coal porosity) when the adsorption phenomenon is taken into account and shrinks (resulting in the increase of coal porosity) otherwise. Being in good agreement with the results in specialized literature in this field, it shows the ability of the model to predict the poroelastic behaviour of coal to CO2 injection. Also with the first model, we studied particularly through numerical simulations the influence of coal’s hydro-mechanical properties (Biot’s coefficient, bulk modulus), Langmuir’s adsorption parameters and the initial liquid pressure in rock mass during CO2 injection in coal. In the case of methane recovery (second model), a coupling of Code_Aster and a reactive transport code, HYTEC (Hydrological Transport coupled with Equilibrium Chemistry, developed by Mines Paris Tech) was needed to handle the above calculation of partial pressures of the two gases (CO2 and CH4) at each time step. Digital development work on the two computers codes (Code_Aster and HYTEC) was then necessary. This thesis proposed a method of coupling between the two codes whose techniques are widely described in the manuscript.

Le but de ce travail est de fournir des informations qui peuvent aider à clarifier le mécanisme par lequel se produit la précipitation d’asphaltènes afin d'optimiser les modèles qui prédisent ce phénomène. Premièrement, la composition chimique des fractions aromatiques et saturées est analysée au regard à la stabilité des asphaltènes dans le brut. Plus précisément, la composition SARA de différents bruts vénézuéliens est corrélée au seuil de floculation des asphaltènes. Nos résultats mettent en évidence que les saturées, semblables aux résines, ont un effet significatif sur la stabilité des asphaltènes dans le brut. Deuxièmement, la teneur en Ni et V dans les asphaltènes et leurs sous fractions A1 et A2 a été déterminé par spectroscopie d'émission atomique avec plasma inductif. Les données expérimentales établissent que A1 a une concentration en V et en Ni supérieure à celle de A2, quelque soit la stabilité des bruts. Nous interprétons ces données comme l’illustration d’interactions fortes, telles que des liaisons covalentes entre pétroporphyrines et les molécules d’asphaltènes. Finalement, un dispositif haut pression est utilisé pour détecter visuellement la pression seuil de floculation d'un système modèle correspondant à une solution d’asphaltènes dans un mélange toluène/heptane/CO2. Les résultats confirment, pour ces systèmes gazés, que les augmentations de pression conduisent à une augmentation de la solubilité des asphaltènes et que pour la température il y a deux régimes opposés. Le premier correspond à une diminution de la stabilité du fluide avec l’augmentation de la température et le second, passé une valeur seuil proche de 80°C, conduit au phénomène inverse. / The purpose of this work is to provide information that can help in clarifying the mechanism by which asphaltene precipitation occurs in order to optimize the models that predict the phenomenon. The study is divided into three chapters. In the first one, the constituents of aromatic and saturate fractions of some Venezuelan crude oils were associated with the asphaltenes stability. SARA composition was correlated with asphaltene flocculation onsets and the results showed that saturates, similar to resins, have a significant effect on the flocculation process of the asphaltenes. In the second chapter, the concentration of Ni and V was determined in asphaltenes and their fractions A1 and A2. The samples were analyzed using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and elemental combustion analysis. Results show that A1 presents higher Ni and V concentrations than A2, in both stable and unstable crude oils. These results can be explained by strong interactions, such as covalent bonds between the petroporphyrins and the asphaltene molecules. In the final section, the asphaltenes phase envelopes were obteined for a system consisting of asphaltene in a mixture toluene/heptane/CO2. The temperature ranges 10-150 °C with varying concentrations of CO2 between 10 and 20 wt%. The experimental results confirm that increase of pressure leads to increase of solubility of the asphaltenes in the medium. Also, there are two temperature regimes having opposite trends. First, the solubility of the asphaltenes increases with the temperature, then after a threshold value of 80 °C, the stability is getting worse with the temperature

Für eine effiziente und nachhaltige Nutzung von Georeservoiren sind bestmögliche Reservoirmanagementverfahren erforderlich. Oft setzen diese Verfahren auf Tracer-Tests. Dabei enthalten die aufgezeichneten Tracersignale integrale Informationen der Reservoireigenschaften. Tracer-Tests bieten somit eine leistungsfähige Technik zur Charakterisierung und Überwachung der bewirtschafteten Georeservoire. Im Gegensatz zu Tracer-Tests mit konservativen Tracern, welche bereits etablierte Testroutinen zur Verfügung stellen, ist die Verwendung von reaktiven Tracern ein neuer Ansatz. Aufgrund unpassender physikalisch-chemischer Modelle und/oder falschen Annahmen ist die Analyse und Interpretation von reaktiven Tracersignalen jedoch oft verzerrt, fehlinterpretiert oder sogar unmöglich. Reaktive Tracer sind dennoch unersetzbar, da sie durch die gezielte Ausnutzung selektiver und spezifischer Reaktionen mögliche Metriken von Reservoirtestverfahren auf einzigartige Weise erweitern. So liefern reaktive Tracer für ein integriertes Reservoirmanagement geforderten Aussagen über Reservoirmetriken wie z.B. Wärmeaustauschflächen oder in-situ Temperaturen. Um Unsicherheiten bei der Auswertung von Tracerexperimenten zu reduzieren, werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zu hydrolysierenden Tracern vorgestellt. Diese Tracer sind durch ihre Reaktion mit Wasser charakterisiert. Einerseits können sie als thermo-sensitive Tracer Informationen über Temperaturen und abgekühlte Anteile eines beprobten Reservoirs liefern. Für die Interpretation von thermo-sensitiven Tracerexperimenten sind die Kenntnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen sowie bekannte Arrhenius-Parameter Voraussetzung, um die verwendete Reaktion pseudo erster Ordnung nutzen zu können. Darüber hinaus ermöglichen die verwendeten Verbindungen durch ihre Fluoreszenzeigenschaften eine Online-Messung. Um die Empfindlichkeit und praktischen Grenzen thermo-sensitiver Tracer zu untersuchen, wurden kontrollierte Laborexperimente in einem eigens dafür entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Dieser besteht aus zwei seriell geschalteten Säulen, die beide mit Sand gefüllt sind und jeweils auf eine eigene Temperatur eingestellt werden können. Somit ist es möglich, verschiedene thermische Einstellungen zu betrachten. Die untersuchten experimentellen Szenarien imitieren größtenteils Feldanwendungen: Durchflussexperimente sowie auch Experimente mit einer Umkehr der Fließrichtung. Darüber hinaus wurde untersucht, ob thermo-sensitive Tracer auch sensitiv gegenüber der Position der Temperaturfront sind. Dabei wurden die Tracer kontinuierlich oder gepulst injiziert. Die Ergebnisse bestätigen die zugrunde liegende Theorie experimentell. Wenn die pH-Abhängigkeit der Hydrolyse bei der Analyse berücksichtigt wird, kann eine Temperaturschätzung mit einer Genauigkeit und Präzision von bis zu 1 K erreicht werden. Die Schätzungen sind von Verweilzeit und gemessenen Konzentrationen unabhängig. Weiterhin lässt sich eine Schätzung über den ausgekühlten Anteil des Systems erhalten. Durch die steuerbaren und definierten Laborbedingungen ist es erstmals möglich, die geforderte Anwendbarkeit von thermo-sensitiven Tracern belastbar nachzuweisen. Des Weiteren wird eine zweite Anwendung hydrolysierender Tracer vorgeschlagen. Beim Lösen von CO2 für „Carbon Capture and Storage“-Anwendungen hängt die Effizienz maßgeblich von der Grenzfläche zwischen CO2 und der Sole in tiefen Reservoiren ab. Somit ist diese Metrik wichtig, um die Effizienz der CO2 Auflösung in Wasser zu bewerten. Die gezielt entwickelten Kinetic-Interface-Senitive-Tracer (KIS-Tracer) nutzen, zusätzlich zur Hydrolyse an der Grenzfläche, die unterschiedlichen Lösungseigenschaften von Tracer und Reaktionsprodukt im entsprechenden Fluid. Somit lassen sich potentiell Aussagen über die Dynamik der Grenzfläche machen. Neben dem grundlegenden Konzept sowie den theoretischen Tracer-Anforderungen wird eine erste Anwendung im Laborexperiment vorgestellt. Diese zeigt das erfolgreiche, zielorientierte Moleküldesign und bietet eine experimentelle Basis für ein makroskopisches numerisches Modell, mit welchem numerische Simulationen verschiedener Testszenarien durchgeführt werden, um das Zusammenspiel von KIS-Tracer und dynamischer Grenzfläche zu untersuchen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit hydrolysierender Tracer werden in der Regel auch thermische Signale aufgezeichnet. Der letzte Teil prüft die Möglichkeit, Informationen aus den aufgezeichneten Temperaturen zu extrahieren. Für ein idealisiertes Einzelkluftsystem wird eine Reihe von analytischen Lösungen diskutiert. Aus thermischen Injektion-/Entzugsversuchen können damit räumliche und zeitliche Profile abgeleitet werden. Mit der Verwendung von mathematisch effizienten Inversionsverfahren wie der iterativen Laplace-Transformation lassen sich rechentechnisch effiziente Realraum-Lösungen ableiten. Durch die Einführung von drei dimensionslosen Kennzahlen können die berechneten Temperaturprofile auf Bruchbreite oder Wärmetransportrate, wechselnde Injektions-/ Pumpraten und/oder auf in der Nähe beobachtbare räumliche Informationen analysiert werden. Schließlich werden analytische Lösungen als Kernel-Funktionen für nichtlineare Optimierungsalgorithmen vorgestellt. Zusammenfassend bearbeitet die vorliegende Arbeit den Übergang zwischen Tracerauswahl und Traceranwendung. Die Ergebnisse helfen Planungs- und Analyseunsicherheiten zu reduzieren. Dies wird bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber Temperaturen, Kühlungsanteilen, flüssig/flüssig-Grenzfläche, Kluftbreite und Wärmetransportrate gezeigt. Somit bieten die vorgestellten Tracerkonzepte neue Metriken zur Verbesserung von Reservoirmanagementverfahren. Die experimentellen Ergebnisse und die neuen analytischen Modelle ermöglichen einen tiefen Einblick in die kollektive Rolle der Parameter, welche die Hydrolyse und den Wärmetransport in Georeservoiren kontrollieren.