Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multiphysique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptées pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé.

De nombreux travaux effectués en laboratoire ou sur des champs pétroliers ont mis en évidence l'influence que peut avoir la salinité de l'eau de balayage sur le déplacement des hydrocarbures. Les premières études documentées sur la capacité de l'injection d'eau de faible salinité à devenir une méthode EOR (augmentation de la récupération) ont débuté dans les années 90 [Jadhunandan & Morrow, 1991] suivies par d'autres auteurs [Lager et al., 2006]. Cependant il n'existe pas, à ce jour, d'explication générale du phénomène. L'objectif de notre étude est d'une part de quantifier, sur un système Huile/Saumure/Roche bien caractérisé, les récupérations additionnelles d'hydrocarbure par injection d'eau diluée, d'autre part, à partir de l'évolution des paramètres physico-chimiques, de proposer des explications aux réactions du milieu poreux conduisant à l'amélioration du déplacement microscopique de l'huile brute. Nous avons effectué nos expériences en considérant un système composé d'un grès d'affleurement (DU3) consolidé de perméabilité moyenne (400-800mdy) contenant 10% d'argile mais pas de kaolinite, d'une huile de gisement (Huile A) contenant 2,3% d'asphaltènes, d'une saumure résidente de concentration égale à 50g/l (90%w NaCl, 10%w CaCl2) et de saumures de faible salinité (1g/l) contenant ou pas des ions divalents. Les résultats des expériences de balayages tertiaires et secondaires ont mis en évidence des récupérations additionnelles d'hydrocarbure comprises entre 9 et 11% (OOIP) lorsqu'on passe de l'injection d'une saumure à 50g/l à une saumure à 1g/l et entre 4 et 6% (OOIP) lorsqu'on passe de 1g/l à 0,1g/l. Ces récupérations additionnelles, qui sont toujours accompagnées de l'augmentation du pH et de la réduction de la perméabilité de l'échantillon, ont lieu à partir d'une valeur seuil de salinité comprise entre 2,5 et 1g/l. Elles sont également observées en l'absence d'ions divalents dans l'eau d'injection. La reprise de production observée après injection de 2 à 3 VP a pour origine un effet de dispersivité diphasique qui est cohérente avec le seuil de salinité nécessaire à la reprise de production. Des observations à l'aide d'un MEB montrent que l'huile résiduelle préserve partiellement les surfaces et empêche le décollement et la libération des particules argileuses. L'augmentation du pH n'est pas le moteur de ce phénomène, elle est due aux réactions simultanées d'échanges ioniques à la surface de la roche et de dissolution des carbonates. La réduction de la perméabilité, comme l'augmentation du pH, est également observée dans les cas où aucune récupération additionnelle d'huile n'a été mise en évidence. Cette réduction de perméabilité est due à l'expansion interparticulaire prévue par la théorie DLVO lors de la diminution de la force ionique. La libération de particules argileuses lors des expériences de traçages monophasiques et le comportement de l'ion divalent Ca++ qui disparaît plus vite des effluents montre l'importance des échanges ioniques dans le déplacement microscopique des hydrocarbures.

La modélisation de dépôts fluviatiles à l'échelle du réservoir pétrolier est fréquemment réalisée à l'aide de simulations stochastiques. Ces méthodes sont opérationnelles et éprouvées mais manquent souvent de réalisme. Elles visent à reproduire une certaine hétérogénéité de faciès sans intégrer les processus gouvernant la sédimentation. Cependant, dans les dernières décennies, de nouveaux modèles déterministes d'évolution des systèmes fluviaux méandriformes ont été élaborés et validés sur des périodes de temps historiques. L'objectif de ce travail est alors de combiner méthodes stochastiques et déterministes à l'échelle des temps géologiques pour simuler la formation de réservoirs pétroliers chenalisés. A partir des équations de l'hydraulique fluviale, un modèle d'évolution spatiale est proposé pour un chenal méandriforme de largeur constante assimilé à sa ligne médiane. L'ossature ainsi obtenue est habillée avec un modèle de faciès simulant les différents dépôts. Leur mise en place se fait en retenant des modèles physiques ou descriptifs simples qui prennent en compte les conditions hydrauliques dans le chenal, la topographie de la plaine d'inondation et intègrent une composante stochastique. Il est ainsi possible de modéliser des architectures variées exprimant la réponse du système fluvial à un nombre restreint de paramètres clés. Les courbes de proportions verticales permettent d'étudier l'influence de plusieurs paramètres du modèle. Ces paramètres déterminés, la migration du chenal est contrainte par l'érodabilité de la rive qui corrige la migration prévue par les modèles d'écoulements à l'intérieur du chenal. L'utilisation de ce paramètre, sous forme de cartes obtenues par simulation conditionnelle, est simple à mettre en oeuvre et permet de définir des zones de migration préférentielle du chenal. Enfin, le conditionnement aux puits est réalisé à partir de simulations spatio-temporelles de l'érodabilité le long du chenal. Les simulations obtenues sont réalistes, rapides, diversifiées et mettent en évidence la distribution spatiale des corps réservoirs. Les dépôts simulés sont génétiquement liés: leur reconstruction chronologique est possible et cohérente.

Etablir un bilan de masses entre la génération, la migration et l'accumulation du pétrole est un processus important pour quantifier des systèmes pétroliers. Ce bilan donne en effet des indications sur la répartition du pètrole dans un bassin sédimentaire, que ce soit une province très explorée ou un secteur d'exploration frontière. Cette thèse a établi la méthodologie pour approcher un bilan de masses d'un système pétrolier sur un cas réel. Elle a non seulement quantifié les termes sources et les pertes, mais s'est également intéressée aux aspects compositionnels. Les accumulations connues ont pour cela servi de données de calibration des paramètres influant le bilan. Dans cette optique, le cas d'étude choisi est le bassin de Recôncavo au Nord-Est du Brésil. Il s'agit d'un rift avorté qui a été formé pendant la fragmentation du Gondwana, au cours de le Crétacé Inférieur. Le stade mature de l'exploration de ce bassin a contribué à réduire les incertitudes sur les pertes et les charges, points essentiels d'une définition de bilan de matière. Les nombreux paramètres qui influencent le bilan ont pu être calibrés de façon précise. Pour procéder au bilan, on a d'abord effectué des analyses géochimiques pour la description cinétique compositionnelle des membres Tauá et Gomo (Fm. Candeias), les roches mères principales de ce bassin. Une loi de restauration du carbone organique total (COT) a été obtenue en résultat des expériences thermogravimétriques et de l'analyse Rock-Eval. Une deuxième partie de ce travail a intégré les résultats de géochimie dans un schéma séquentiel de modélisation de systèmes pétroliers en 1D,2D et 3D. Une calibration du régime thermique au cours du temps géologique indépendante des données de maturité a servi de guide pour le terme source. Puis la genèse, l'expulsion et la migration ont été modélisées. Ces résultats ont fourni les éléments du bilan de masses sur ce bassin, qui montre que seulement 8% des hydrocarbures expulsés des roches-mères ont été piégés, 16% sont perdus dans le réseau poreux non réservoir et 76% sont sortis du système latéralement ou par exsudation au cours de son évolution.

Ce mémoire expose les travaux effectués depuis la thèse de doctorat en les replaçant dans un cadre offrant une vue générale de la littérature sur la structure par terme des prix des matières premières. Il commence par une première partie consacrée à l'analyse théorique de la structure par terme. Pour comprendre la relation entre le prix au comptant et le prix à terme, je me suis tout d'abord intéressée aux théories traditionnelles des prix des matières premières – celle du déport normal et celle du stockage. Développées à l'origine dans un contexte où la notion de structure par terme était moins importante, car la maturité des contrats à terme n'était pas très éloignée, ces théories apparaissent cependant comme limitées lorsque l'horizon d'analyse augmente et que l'on souhaite prendre en considération la totalité de la structure par terme. Un certain nombre de mes travaux a donc pour objectif d'étendre au long terme les théories traditionnelles. Ils visent également à améliorer la compréhension du comportement dynamique de la courbe des prix dans un marché de matières premières. <br />L'analyse théorique de la structure par terme des prix des matières premières étant effectuée, il était intéressant de se pencher sur la façon d'exploiter ses enseignements à des fins de modélisation. C'est l'objet de la deuxième partie du mémoire, qui présente un nouveau modèle de structure par terme – qualifié de modèle asymétrique – justifie les hypothèses qui le sous-tendent, et le positionne par rapport aux autres modélisations. <br />La troisième partie a pour objectif d'apprécier la qualité de la modélisation effectuée : elle s'intéresse aux résultats des tests empiriques réalisés à partir des modèles de structure par terme. Des simulations me permettent tout d'abord de souligner l'influence des hypothèses concernant le processus stochastique retenu pour les variables d'état et celle du nombre de variables d'état, dans trois modèles différents. Sont ensuite présentés des travaux de nature méthodologique, développés en réponse aux difficultés d'estimation spécifiques que présentent les modèles de structure par terme des prix des matières premières. Enfin, l'exposé des performances des modèles, c'est-à-dire de leur capacité à reproduire la courbe des prix observée, permet de présenter les résultats empiriques obtenus avec le modèle asymétrique. <br />Deux applications ont été envisagées dans la littérature pour les modèles de structure par terme des prix des matières premières : la couverture dynamique et la valorisation. En ce qui concerne la couverture, la réflexion relative à l'utilisation de modèles de structure par terme est motivée par la volonté de couvrir des engagements à long terme sur le marché physique à l'aide de contrats à terme d'échéance rapprochée. Les travaux portent alors sur la détermination de la stratégie de couverture à mettre en œuvre et sur l'analyse de son efficacité. Dans le domaine de la valorisation, les modèles de structure par terme ont été utilisés en s'appuyant sur la théorie des options réelles. La plupart des recherches entreprises portent sur la décision d'investissement dans le cadre de matières premières minérales, car le caractère irréversible de l'investissement est particulièrement prononcé pour ces dernières. Mes travaux de recherche se sont intéressés à chacune de ces deux applications. Celles-ci ont fait l'objet de plusieurs publications. Elles sont également le sujet de recherches en cours et sont à l'origine de plusieurs projets.

Cette thèse étudie des systèmes locaux de gestion de transfert de pétrole ayant une architecture de réseau de canalisation. Pour leur représentativité, deux systèmes localisés au Venezuela et appartenant à l'entreprise PDVSA (Pétroles du Venezuela) ont été retenus pour illustrer les méthodes proposées et les valider : le Terminal Maritime de Pétrole de Guaraguao et le Centre de Stockage de Punta de Palmas. Dans ces réseaux des connexions, appelées " alignements ", sont établies en ouvrant/fermant des vannes à travers d'un système SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Le choix d'un alignement doit tenir compte de critères d'optimisation. La minimisation des interférences avec d'autres alignements, liée à la notion de capacité opérative, a été identifiée comme le critère de choix le plus important. Les contributions de cette thèse reposent sur une modélisation sous forme de graphes, et sur des algorithmes appartenant au domaine de la recherche opérationnelle. Elles contribuent à fournir aux opérateurs de supervision des outils d'analyse permettant d'optimiser le choix des alignements. Des indicateurs permettant de quantifier l'impact des opérations d'alignement ou des défaillances, sur la capacité opérative du système, sont proposés. La minimisation de l'impact sur la capacité opérative, va correspondre à la minimisation des interférences avec des alignements potentiels. Un algorithme de calcul de ces indicateurs, est présenté, ainsi que des algorithmes de recherche de chemin, de détermination d'éléments critiques, et de recherche d'alignements utilisant des pompes. Ces algorithmes sont basés sur des algorithmes classiques s'adressant au problème du plus court chemin, du flot maximum et du nombre maximum de chemins disjoints. Cependant, ils utilisent des méthodes innovantes, comme l'ajout de contraintes considérant l'existence de sous-types d'alignements, le calcul dynamique des coûts des chemins à partir de son impact sur la capacité opérative, et la recherche de chemins via un point intermédiaire obligatoire. Les contributions sont potentiellement applicables dans des domaines autres que le transport de pétrole. Les algorithmes ont été mis en œuvre en utilisant le langage Python et ont été testés en utilisant les données réelles des réseaux étudiés. L'objectif à moyen terme de ces travaux est le développement d'un logiciel d'assistance à la prise de décision.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multi-physique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptés pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé.

Les relations entre variables macroéconomiques et prix du pétrole suscitent depuis de nombreuses années un fort intérêt de la part des économistes. Ces interactions dépendent non seulement des variables retenues, mais aussi de l’horizon temporel considéré. L’objet de cette thèse est ainsi d’étudier les relations entre le prix du pétrole et diverses variables macroéconomiques et financières en considérant des horizons temporels différents et en mobilisant diverses méthodologies économétriques complémentaires. Après avoir effectué un rappel historique sur l’industrie pétrolière depuis 1860, nous étudions les relations entre le prix du pétrole et le comportement des pays membres de l’Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole en recourant aux techniques de séries temporelles et des données de panel. Par la suite, l’estimation de modèles VAR à paramètres temporels variables nous permet d’étudier l’impact du taux de change du dollar américain sur le prix du Brent. Enfin, nous analysons les mouvements joints entre prix des matières premières et prix du pétrole par le recours à l’économétrie des données de panel non stationnaires. / The relationships between macroeconomic variables and oil prices have deserved a great interest in the economic literature. Those interactions depend on both the retained variables and the time horizon considered. The aim of the PhD is to study the relationships between oil price and various macroeconomic and financial variables by considering different time horizons as well as various econometric procedures. After reminding the oil industry evolution since 1860, we study the relationships between oil price and the production behavior of the Organization of Petroleum Exporting Countries, using both time series and panel data tools. Then, an analysis with time-varying parameters VAR models is implemented, regarding the impact of the USD exchange rate on the Brent price. Lastly, we study the co-movements between oil and commodity prices, using non stationary panel data methodology.

L’amélioration de la récupération d’énergie dans les procédés industriels passe par une meilleure compréhension des phénomènes d’encrassement dans les échangeurs de chaleur. L’encrassement se caractérise par la formation de dépôts non désirés sur les surfaces d’échange de l’échangeur. Cette étude porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l’encrassement dans les échangeurs de chaleur du train de préchauffe.Pour cela, une boucle d’essai reproduisant les niveaux d’échange et les écoulements rencontrés en raffinerie a été employée pour tester un échangeur de type tubes et calandre. Les fluides traités sont du pétrole brut et de résidu de distillation atmosphérique (coupe lourde du pétrole) comme dans le procédé industriel. On s’intéresse à l’influence de la géométrie de l’échangeur. Des faisceaux de tubes avec des corrugations internes hélicoïdales et des ailettes externes sont successivement testés. Pour chacune des technologies, les paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d’un dépôt encrassant sont identifiés sur une gamme de température de film et de cisaillement s’échelonnant respectivement de 230 à 300°C et de 1,3 à 8,8 N/m2. L’efficacité des tubes optimisés pour lutter contre l’encrassement est évaluée par comparaison avec l’encrassement obtenu sur le faisceau de tubes lisses pris comme référence. Les deux technologies se sont révélées efficaces pour réduire l’encrassement. Par rapport aux tubes lisses, l’encrassement a été réduit d’un ordre de grandeur à cisaillement et température de film équivalentes aussi bien avec les tubes structurés qu’ailetés.En parallèle, une simulation d’encrassement numérique (CFD) a été élaborée pour mieux comprendre le développement de l’encrassement dans l’échangeur équipé de tubes lisses. Les phénomènes dominants à l’origine de l’encrassement de l’échangeur ont été déterminés : la vitesse de formation du dépôt, peu affectée par les variations spatiales de la thermo-hydraulique, pilote l’encrassement. Les hétérogénéités d’encrassement sont causées par les disparités locales de la vitesse d’arrachement du dépôt qui varie en grande proportion mais dont l’influence sur la vitesse d’encrassement est faible. Elles sont dues à une inhomogénéité spatiale du cisaillement qui est la conséquence de l’établissement de l’écoulement dans les tubes. Une tentative d’amélioration de la précision de la prédiction de l’encrassement a été également entreprise en optimisant les paramètres d’un modèle d’encrassement existants et en tenant compte du vieillissement du dépôt. / Improving energy recovery in industrial processes requires a better understanding of fouling phenomena in heat exchangers. Fouling is the grow up of unwanted materials on heat transfer surfaces. This study focuses on improving the energy efficiency of petroleum refineries by reducing fouling in heat exchangers of the pre-heat train.For this purpose, a test rig reproducing thermal and flow characteristics encountered in the last heat exchanger of the pre-heat train was used to test a pilot-scale shell-and-tube heat exchanger. Fluids are the same as the ones processed in refineries: crude oil and atmospheric tower bottom, a heavy residue of oil. This study focuses on the influence of the heat exchanger geometry. Internally helically-finned tubes and externally low-finned tube bundles are successively tested. For each one, optimum operating parameters which reduce fouling are identified over a 230-300°C film temperature range and a 1.3-8.8 N/m2 wall shear stress range. The fouling mitigation efficiency of the enhanced tubes is compared with smooth tubes taken as a reference. Compared to smooth tubes, fouling on helically-finned and low-finned tubes is reduced by an order of magnitude when they are operated at equivalent wall shear stress and film temperature.In addition, a numerical (CFD) fouling simulation has been developed to provide a better understanding of the fouling in the heat exchanger with smooth tubes. Dominant phenomena driving fouling in the heat exchanger were determined. The deposition rate is weakly impacted by the spatial variations of the thermo-hydraulic and controls the overall fouling rate. Heterogeneities in fouling rate are caused by the local scattering in the removal rate, which varies in a broad range but whose impact on the overall fouling rate is low. The broad range of the shear stress is the consequence of the fluid flow entrance effects. An attempt to improve accuracy of the fouling model has been undertaken by optimizing the model parameters and by considering aging of the deposit.