Principle and Potential of Nuclear Magnetic Resonance Applied to the Study of Fluids in Porous Media Principe et potentialité de la résonance magnétique nucléaire appliquée à l'étude des fluides en milieux poreux

Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI) have been used in recent years in many fields, including the chemical and petroleum industries, and medicine. Following a review of the basic principles of these two techniques, their applications concerning the study of fluids in porous media are presented. The use of NMR in petrophysics is limited to the study of porosity, permeability, wettability, and the determination of the pore size distribution and saturation in a sample. MRI is an extremely useful technique, not only as a tomographic approach but, above all, because, it helps today to identify certain properties, such as velocity images. This article also presents the results obtained at Institut Français du Pétrole (IFP) concerning the study of wettability by NMR and the use of a high magnetic field to visualize fluids in porous media. In the future, a major potential use of NMR for the study of fluids in porous media resides in the extrapolation of the results obtained by spectroscopy to wireline logs, and to imaging. L'évaluation du taux de récupération optimale d'un gisement d'hydrocarbures repose sur l'utilisation des lois d'écoulements polyphasiques en milieu poreux : les lois de Darcy généralisées. Celles-ci permettent d'interpréter des mesures de laboratoire sur des échantillons de gisement, afin de les introduire dans les modèles numériques de simulation à l'échelle du réservoir. Pour envisager une étude approfondie de ce qui se passe en matière d'écoulement à l'intérieur des milieux poreux, il faut évaluer de manière très précise la distribution des fluides. Pour cette raison, les études tomographiques apportent une contribution importante à la connaissance des écoulements en milieu poreux. Dans cet article la méthode tomographique envisagée est l'imagerie par résonance magnétique (IRM) qui est une extension de la résonance magnétique nucléaire (RMN). Les principes de ces deux méthodes sont tout d'abord rappelés. Dans l'industrie pétrolière, la RMN est une technique d'analyse utilisée en particulier pour la détermination des structures moyennes des composés hydrocarbonés. En pétrophysique son emploi est essentiellement limitée à quatre types d'applications. L'étude des caractéristiques pétrophysiques globales conduit à déterminer la porosité d'un échantillon de manière aussi précise que par une méthode standard ; la perméabilité est également évaluée au moyen d'une relation empirique entre la perméabilité, la porosité et les données RMN. La distribution des tailles de pores est possible mais nécessite des hypothèses sur les échantillons étudiés. Enfin la détermination des saturations a été essentiellement étendue à l'imagerie. L'étude de la mouillabilité est à notre avis une des applications les plus intéressantes de la RMN, car elle est un paramètre difficilement mesurable. Cette étude nécessite de savoir découpler les influences simultanées de la distribution des tailles de pores et de la mouillabilité sur les temps de relaxation. C'est en ce sens que sont orientées actuellement les recherches à l'Institut Français du Pétrole (IFP). La figure 6 montre une évolution linéaire de l'inverse du temps de relaxation T1 en fonction de l'inverse de la taille de particules pour des échantillons composés de poudre de carbure de silicium de différentes granulométries. Les poudres utilisées sont soit mouillables à l'eau soit mouillables à l'huile. L'influence de la mouillabilité est plus importante pour les petites granulométries que pour les grandes. Ces résultats sont en accord avec les modèles d'interprétation proposés jusqu'à présent. Depuis la première application présentée, l'utilisation de l'IRM Pour visualiser les fluides en milieu poreux a fait l'objet d'une importante bibliographie. Au cours de ces dix dernières années, l'augmentation de la performance des imageurs IRM a permis d'améliorer la reconstruction des images et la résolution spatiale. Différentes techniques sont utilisées pour différencier dans les images les protons de l'eau des protons de l'huile. A I'IFP, nous utilisons un champ magnétique élevé de 9,4 T qui permet de différencier les protons de l'huile (fig. 7) de ceux de l'eau (fig. 8) et d'obtenir des coupes d'épaisseur 50 µm. L'obtention de profils de saturation (fig. 10) a permis de comparer les profils obtenus par IRM à ceux obtenus par simulation numérique de l'expérience de déplacement étudiée (fig. 11). Cette comparaison valide les profils de saturation expérimentaux et définit une possible utilisation de l'IRM comme méthode de détermination des courbes de perméabilités relatives et de pression capillaire représentatives d'une expérience de déplacement. Cependant un intérêt majeur de l'IRM par rapport à d'autres techniques tomographiques est d'apporter une meilleure résolution, une possibilité d'obtenir une information tridimensionnelle ainsi que des paramètres non accessibles jusqu'à présent (images de vitesse). De plus, l'extrapolation des résultats obtenus en spectroscopie à l'imagerie ou aux diagraphies constitue une potentialité importante de la RMN pour l'avenir et est l'enjeu de recherches actives dans de nombreux laboratoires ou compagnies pétrolières dans le monde.