Revue bibliographique

La bibliographie montre que les sources d'information les plus abondantes sur la tendance d’une huile à former des résidus insolubles se trouvent dans les études sur les processus de raffinage thermique (Nandi et al 1978; Monthioux et al 1982; Banerjee et al. 1986; Mazza & Cormack, 1988; Hikita et al. 1989; Carbognani & Espidel, 1995; Spötl et al 1996; Alvarez et

al. 1999 ; Marsh et al. 1999; Martínez-Escandell et al. 1999; Rahimi et al 1999; Torregrosa-

Rodríguez et al. 2000; Gentzis et al 2001; Rodríguez-Reinoso et al. 2001; Schabron et al 2001; Yasar et al. 2001; Gentzis & Rahimi, 2003). Des phénomènes de formation de bitume ont également été étudiés dans des situations de récupération in situ (Burger et al 1985; Monin & Audibert, 1987; Pahlavan & Rafiqul, 1995; Schaffie & Ranjbar, 2000). Par contre, il y a relativement peu d'informations concernant le rôle de la composition des huiles dans la formation de bitumes insolubles dans des conditions géologiques.

Il est le plus facile d'aborder le problème par la première des trois approches (raffinage, récupération thermique et formation au cours du temps géologique), puisque les conditions dans lesquelles le bitume insoluble est formé sont le plus facilement contrôlées; c’est-à-dire que l'évolution thermique de l’huile brute (habituellement des huiles lourdes et des sables bitumineux) a lieu dans un système optimisé dans lequel les composants et les conditions physico-chimiques sont des facteurs connus. Puisque ce chapitre concerne l'influence de la composition de l’huile, la discussion de la bibliographie peut se focaliser sur le comportement des composés saturés, aromatiques, des résines et des asphaltènes (SARA) de pétroles bruts. La décomposition d'une huile lourde est fortement liée à sa teneur en asphaltènes, qui sont des

composés extrêmement sensibles aux changements d’état, dont la pression, le volume et la température (PVT). Ces asphaltènes exercent une influence prépondérante sur le comportement global de l’huile. Une baisse de la densité API d’une huile est souvent provoquée par l'enrichissement en fraction NSO, résines et asphaltènes.

La définition suivante d’une asphaltène comme la fraction d'huile insoluble dans les solvants légers et paraffiniques (pentane, hexane ou heptane) est analytique plutôt que génétique. L’insolubilité d’une asphaltène est déterminée par son poids (encombrement) moléculaire élevé par rapport à celui des autres composants d’une huile brute. Cette caractéristique fait que l’analyse de la structure moléculaire précise des asphaltènes est très difficile. Plusieurs modèles ont été présentés pour décrire cette structure d’après les groupements fonctionnels détectés dans la matrice macromoléculaire de modèles d'asphaltènes (Behar & Pelet, 1984; Hofmann et al 1992; Del Rio et al. 1995; Kowalewski et al. 1996; Calemma & Rausa, 1997). Celles-ci se composent de macromolécules condensées, essentiellement aromatiques, et de noyaux portant des chaînes latérales de longueur variable liées par des hétéroatomes (cross- linking). Les asphaltènes sont souvent considérées comme des fragments de kérogène suffisamment divisés pour être solubles dans l’huile brute (Orr, 1986). Il a été suggéré que la composition des asphaltènes soit indicative de celle de leur précurseur organique (c'est-à-dire du kérogène). Beaucoup d'auteurs ont utilisé la pyrolyse des asphaltènes pour libérer des biomarqueurs non modifiés par la biodégradation, permettant l'identification de la source des asphaltènes (Jones et al. 1988; Barth et al. 1995; Magnier & Huc, 1995; Thompson, 2002). Les capacités de la fraction asphaltène pour préserver des molécules saturées et aromatiques dans sa macrostructure ont été même utilisées dans des études cinétiques en assimilant ces asphaltènes à des roches mères (DiPrimio et al. 2000).

Le caractère macromoléculaire de la fraction asphaltène est unique dans les huiles brutes car celle-ci existe sous forme de micelles suspendues dans l’huile brute (Pelet et al 1986). La solubilité de la fraction d'asphaltène dépend principalement du pouvoir de dissolution des résines et, dans une certaine mesure, des composés aromatiques lourds. Les résines, comme les asphaltènes, contiennent des quantités significatives d'hétéroatomes NSO mais elles ont un poids moléculaire plus variable : les résines les plus lourdes ont des poids moléculaires comparables à ceux des asphaltènes. La fraction résine empêche la floculation des asphaltènes et leur précipitation, soit dans le réservoir, soit dans les oléoducs, soit dans les réservoirs de stockage. En l'absence de résines, même de très faibles quantités d’asphaltènes sont instables sous forme colloïdale dans l’huile brute (Carbognani & Espidel, 1995). Le contenu en fractions résines et asphaltènes, ainsi que leurs compositions, sont les paramètres responsables

de l'interaction entre les phases bitumineuse et aqueuse pour former des émulsions stables dans des mélanges d’huile brute et d’eau (Khadim & Sarbar, 1999; Jada & Salou, 2002). Il faut noter que dans ces émulsions la taille des agrégats formés par la floculation d'asphaltènes est liée au rapport résines/asphaltènes: plus ce rapport est élevé, plus fort est le pouvoir de solubilisation des résines. Le pouvoir de dissolution des résines augmente avec leur poids moléculaire moyen et leur teneur en composés NSO (Spiecker et al 2003).

La présence des tar mats dans les gisements démontre l'instabilité des asphaltènes dans les huiles brutes. Ces dépôts naturels de bitume solide se composent principalement d'asphaltènes qui ont précipité en raison d'un déséquilibre créé par une variation du rapport entre les hydrocarbures et les gaz légers et les asphaltènes (Ehrenberg et al 1995; Wilhelms & Larter, 1995). Le rapport gaz-huile (GOR) des huiles dans le réservoir peut être augmenté par l’introduction de gaz thermogène provenant d'une roche mère plus profonde ou par le craquage secondaire d'hydrocarbures dans le gisement. De même que le déséquilibre peut être provoqué par une hausse du GOR, le cas contraire (diminution du GOR) peut provoquer le même effet indésirable par concentration des asphaltènes après la migration des hydrocarbures légers. Ceci peut se produire par la biodégradation, le lessivage, ou la dégazage (Milner et al 1977 ; Connan, 1984; George et al 1994).

Les fractions aromatiques et saturées jouent un rôle généralement nuisible à la stabilité des asphaltènes en solution. Par exemple, des teneurs élevées en composés paraffiniques peuvent provoquer la précipitation des asphaltènes. De plus, on a également observé des paraffines de poids moléculaire moyen à élevé franchir des barrières de dissolution pour précipiter dans des réservoirs de stockage et des oléoducs (Del Rio et al 1992). Ces occurrences de bitumes lourds constituent des dépôts d'ozocérite (Jacob, 1989).

Il faut noter que les bitumes formés par le dépôt des asphaltènes ou des paraffines diffèrent considérablement des bitumes insolubles de réservoir formés par des processus thermiques. Les tar mats et les gisements de paraffines formés par n'importe lequel des processus ci- dessus sont quasiment totalement solubles dans du DCM. Ils sont caractérisés par leur basse réflectance (<0.3%Ro), leur fluorescence sous la lumière UV, et leur compressibilité

(Wilhelms & Larter, 1995). Aucune de ces propriétés ne s'applique aux bitumes insolubles thermogènes de réservoir.

Il est donc nécessaire d’examiner les effets de la dégradation thermique en fonction de la composition des huiles. La maturation artificielle des kérogènes a prouvé que les paramètres cinétiques de la transformation des kérogènes sont fortement variables selon la composition du kérogène. La variabilité dans la distribution des énergies d'activation pour la

transformation du kérogène s'applique également au craquage secondaire d'huiles. Les études de craquage secondaire indiquent que la stabilité thermique des fractions brutes des hydrocarbures se range dans l'ordre NSO<saturés<aromatiques. Ces études utilisent la disparition de chaque fraction en fonction de la température afin de calculer les paramètres cinétiques.

4.2. Méthodes expérimentales et analytiques

Le protocole expérimental utilisé pour examiner le potentiel des précurseurs à former des bitumes solides a été essentiellement identique à celui employé pour la maturation artificielle des deux bitumes solides naturels (voir le chapitre 3).