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

Abstract

Résumé -De la géochimie organique à la thermodynamique statistique : développement de méthodes de simulation pour l'industrie pétrolière -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 oeuvre des algorithmes améliorés et de développer un nouveau potentiel intermoléculaire 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

Simulation of 1-alkene and n-alkane binary vapour–liquid equilibrium using different united-atom transferable force fields

“…The critical temperature for 1-octadecene from the simulations was estimated using a density scaling law [60] while the critical density was estimated using the law of rectilinear diameters [61]. The estimated critical density for 1-octadecene of 0.227, 0.221 and 0.224 g/cm 3 for the NERD, TraPPE and SA1 force fields, respectively, all compare favourably with the extrapolated critical density of 0.227 g/cm 3 of Wakeham et al [62]. However, while the estimated critical temperatures of 744 and 742 K for the NERD and TraPPE force fields, respectively, are in reasonable agreement with the experimental value of 748 K determined by Nitikin and Popov using a pulse-heating technique [63], the estimated critical temperature for 1-octadecene from the SA1 force field off 777 K is in substantial disagreement with the experimental value.…”

“…Molecular simulation offers a promising alternative means to obtain the VLE efficiently and cost effectively [2,3].…”

Influence of the Periodic Boundary Conditions on the Fluid Structure and on the Thermodynamic Properties Computed from the Molecular Simulations

“…Within the computational biochemistry, structural characteristic are in the centre of attention while the macroscopic thermodynamic properties are of secondary importance. With respect to the range of temperatures and pressures applied in chemical industry, several force-field sets were designed to describe the behaviour of various classes of organic substances at wide range of conditions [5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]. Within the petrochemical applications, the molecular simulations became popular in order to predict the behaviour of systems at high pressures or systems containing unstable, hypothetical or dangerous compounds.…”

Monte Carlo Simulation of Carboxylic Acid Phase Equilibria

“…In addition, recent progress in the field of molecular simulation has led to the development of force fields capable of dealing with charged and associating compounds such as carboxylic acids . Molecular simulation offers an ideal tool for obtaining VLE data in an efficient and cost-effective manner, , and in the long-term it offers the possibility of replacing expensive laboratory measurements.…”