Applications of Molecular Simulation in Oil and Gas Production and Processing

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 61; no. 3; pp. 387 - 403
• Main Authors: Ungerer, P., Lachet, V., Tavitian, B.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 01.05.2006; Institut Français du Pétrole (IFP)
• Subjects: Chemical Sciences; Computer Science; Modeling and Simulation
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189
• DOI: 10.2516/ogst:2006040a

Molecular simulation is an emerging technique which consists in performing a detailed simulation of microscopic systems involving typically a few hundreds of molecules. On the basis of these simulations, appropriate statistical averages are performed to derive fluid properties that can be compared with experimental measurements. The purpose of the article is first to provide the reader with basic notions of molecular simulation. Then, application examples are given in several fields of the oil and gas industry. In reservoir engineering, the examples relate to the properties of poorly known hydrocarbons, the thermal properties of natural gases, and the phase equilibria and volumetric properties of acid gas - hydrocarbon mixtures. The application to gas production and processing is illustrated by the phase equilibria involving methanol (a common solvent or hydrate inhibitor) and the solubility at high pressure of gases in polymer materials. In hydrocarbon processing, the solubility of hydrogen sulfide in hydrocarbons at high temperature is discussed. For each type of problem, molecular simulation has provided useful predictions together with a better understanding of the relation between properties and chemical structure. It provides an intermediate way between experiments and classical thermodynamic models. Cheaper and more rapid than new measurements, it nonetheless allows an improved determination of the parameters of routine models. La simulation moléculaire est une technique émergente qui consiste à simuler un système de quelques centaines de molécules de façon très détaillée. Par des moyennes statistiques appropriées, on peut déterminer sur la base des résultats de cette simulation des propriétés d'équilibre et de transport qui peuvent être comparées à des résultats expérimentaux. Le but de l'article est de fournir au lecteur des notions de base sur les méthodes de simulation. Ensuite, des exemples d'application sont abordés qui couvrent divers domaines de l'industrie pétrolière. En ingénierie de réservoir, ces exemples ont trait aux propriétés d'équilibre des hydrocarbures lourds, aux propriétés thermiques des gaz naturels, ainsi qu'aux propriétés volumétriques et aux équilibres de phase des mélanges d'hydrocarbures et de gaz acides. Les applications du domaine de la production et du traitement sont illustrées par l'exemple des équilibres de phase impliquant le méthanol (couramment employé comme solvant ou comme inhibiteur d'hydrates) et celui de la solubilité des gaz dans les matériaux polymères à haute pression. En raffinage, c'est à la solubilité de l'hydrogène sulfuré dans les hydrocarbures à haute température que la simulation a été appliquée. Dans chacun de ces problèmes, la simulation a apporté des prédictions très utiles ainsi qu'une compréhension des causes profondes des relations entre la structure chimique et les propriétés des fluides. Elle fournit ainsi une voie intermédiaire à mi-chemin entre les mesures expérimentales et les modèles thermodynamiques classiques. Moins chère et plus rapide que de nouvelles mesures, elle peut améliorer la détermination des paramètres des modèles utilisés en routine.