La PYROLYSE ROCK-EVAL et ses applications Dans la Géochimie organique et la Prospection pétrolière

1. LA PYROLYSE ROCK-EVAL
ET SES APPLICATIONS DANS
LA GÉOCHIMIE ORGANIQUE
ET LA PROSPECTION PÉTROLIÈRE
Présenté par:
Samira SAIFI
Département des gisements miniers et pétroliers
Université M’Hammed Bouguerra, Boumerdès, Algérie
2011 - 2012

2. CONTENU DE LA PRÉSENTATION
• Introduction
• Définition de la pyrolyse
• La pyrolyse en milieu ouvert
• La pyrolyse en milieu fermé
• La pyrolyse ROCK-EVAL: principes et définitions
• L’évolution de la méthode avec l’apparition de différents appareils ROCK-EVAL:
• ROCK-EVAL I
• ROCK-EVAL II
• ROCK-EVAL III: Oil Show Analyser (OSA)
• ROCK-EVAL 6
• Les différents cycles de la méthode pyrolyse ROCK-EVAL
• Préparation des échantillons pour la pyrolyse
• Les paramètres enregistrés par la pyrolyse ROCK-EVAL
•Les paramètres calculés par la pyrolyse ROCK-EVAL et leur interprétation
• Facteurs influents sur les paramètres enregistrés par la pyrolyse
• Les applications de la pyrolyse ROCK-EVAL (cas d’études en Algérie)
• Conclusions
Références bibliographiques.

3. • Le diagramme de Van Krevelen (H/C Versus O/C) 1961, qui a été établi au
départ pour observer le changement de la composition chimique du charbon
durant son évolution thermique, a été adapté par la suite par les géochimistes
de IFP (Durand et Espitalié, 1973) et par Tissot et al, (1974). Il est admis que
c’est un excellent outil pour l’étude des kérogènes et leur maturité.
Les fractions de O,C,H dans le kérogène sont obtenues par les analyses
élémentaires; des analyses lentes et coûteuses qui ne sont pas adéquates pour
l’évaluation rapide des déblais durant le forage des puits.
INTRODUCTION
L’évaluation du potentiel pétrolier d’un bassin donné exige l’étude de la
roche mère. Cela peut impliquer différentes méthodes d’analyses.
• Pour cela, des méthodes préalables dites Screening Analyses qui sont des
méthodes rapides et moins coûteuses sont utilisées et combinées pour mieux
caractériser la roche mère:
• Leco,
• Carmhograph,
• La pyrolyse ROCK-EVAL.
Diagramme (H/C VS O/C )de Van Krevelen

4. Définition de la pyrolyse
La pyrolyse est la décomposition thermique de la matière organique en l'absence
d'oxygène ou en atmosphère pauvre en oxygène.
• Deux (02) techniques de pyrolyse sont utilisées pour l’établissement du model
cinétique de la génération de pétrole:
1. Pyrolyse en milieu ouvert
C’est la pyrolyse sous atmosphère inerte. Elle permet de caractériser et
quantifier les produits hydrocarbonés générés par la roche mère.
2. Pyrolyse en milieu Fermé
C’est une technique qui permet de simuler au laboratoire l’évolution thermique
des kérogènes et des asphaltènes. C’est l’équivalent de l’évolution d’une roche
mère qui n’a jamais généré de pétrole.

5. LA PYROLYSE ROCK-EVAL
La pyrolyse ROCK-EVAL est une méthode de pyrolyse en milieu ouvert. Elle a été
développée par l’IFP (Institut Français du Pétrole) dès 1973. Elle a été conçue pour
fournir à la fois et en un seul même cycle des informations sur:
• Le potentiel pétrolier de la roche mère,
• La quantité des hydrocarbures libres,
• Le type de matière organique et son état d’évolution.
Chauffer en programmation de température à raison de 25°C/min en moyenne,
pendant 20min, sous atmosphère inerte: hélium, un petit échantillon de 100g de
roche mère. Afin de déterminer quantitativement et d’une façon sélective:
1. LES HYDROCARBURES LIBRES: gaz ou huile contenus dans l’échantillon;
2. LES COMPOSÉS HYDROCARBONÉS ET OXYGÉNÉS: composés expulsés lors du
craquage et l’oxydation de la matière organique non extractible de la roche mère:
LE KÉROGÈNE
PRINCIPE

6. L’ÉVOLUTION DE LA MÉTHODE ROCK-EVAL
• La pyrolyse ROCK-EVAL a évolué depuis l’apparition du premier appareil en 1973.
En effet, plusieurs générations d’appareils ROCK-EVAL ont été conçu depuis par IFP:
1. ROCK-EVAL I
2. ROCK-EVAL II
3. ROCK-EVAL III OSA (Oil Show Analyzer)
4. ROCK-EVAL 6

7. 1. ROCK-EVAL I
• Commercialisé en 1977, il contient
un seul four de pyrolyse dont la
température varie de 300°C à 600°C.
• C’est un appareil semi-automatique.
L’enregistrement des signaux d’analyse
et le calcul des paramètres déjà
effectué manuellement nécessite
l’intégration d’un intégrateur et un
enregistreur à l’appareil ROCK-EVAL.
Vandenbroucke, 2003

8. 1. ROCK-EVAL II
• Conçu en 1979. Il contient un four
de pyrolyse et un four d’oxydation.
Il peut être équipé (en option) d’un
module d’analyse du carbone
organique résiduel, cela permet de
calculer le COT: le carbone organique
total.
Espitalié et al, 1985a

9. 1. ROCK-EVAL III:
Oil Show Analyzer OSA
Espitalié et al, 1985a
• c’est une version améliorée a partir du
ROCK-EVAL II:
- Elle est plus simple et elle est utilisable
directement sur les sites de forage,
- D’une fiabilité meilleure des circuits de
fluides, car elle analyse séparément le gaz et
l’huile,
- d’une automatisation plus poussée grâce à:
a. Un microprocesseur
b. Un passeur automatique permettant
d’analyser 50 échantillons d’affilé
- La possibilité de doser le carbone
organique directement sur l’échantillon
pyrolysé.
La température de la pyrolyse dans le ROCK-
EVAL III varie entre 180°C et 600°C.

10. 1. ROCK-EVAL 6
• Dernière version du ROCK-EVAL, commercialisé en 1996. Elle présente un
programme de température de pyrolyse qui va de 100°C à 850°C. Cela permet
d’analyser les hydrocarbures légers, les huiles lourdes et le kérogène type III
(plantes supérieures), ainsi que le carbone minéral
Béhar et al, 2001

11. LES DIFFÉRENTS CYCLES DE LA MÉTHODE
PYROLYSE ROCK-EVAL
• Quatre (04) cycles de pyrolyse ont été programmés selon les besoins. Chaque
cycle d’analyse comprend deux (02) phases: une phase de pyrolyse et une
phase d’oxydation.
• On décrit le cycle d’analyse N°1 d’un ROCK-EVAL 6, qui est le plus utilisé:
A. La phase de pyrolyse Elle comprend trois (03) étapes:
1. La purge du four et le préchauffage:
• Balayage à l’hélium pendant 5 minutes en augmentant la température
jusqu’à 450°C afin d’éliminer l’oxygène introduit pendant l’ouverture du four.
• A la fin de la purge, la température du four est stabilisée à 300°C.
2. La volatilisation des HC libres (Pic S1) :
• Elle dure 3 minutes environ a partir du moment où l’échantillon est introduit
dans le four (par piston) maintenu en isotherme à 300°C.

12. 3. La pyrolyse proprement dite:
• Elle commence au terme de la volatilisation. Elle se déroule en deux phases:
a. Programmation de la température (25°C/min) jusqu’à 650 / 800°C:
La phase de volatilisation des composés hydrocarbonés très lourds (C>40), des
résines, des asphaltènes et surtout du kérogène avec la détection de Tmax et le
pic S2.
b. Refroidissement du four S3’CO dans l’intervalle de température décroissant de
390°C à 300°C et la détection des pics S3, S3CO,S3’.
B. La phase d’oxydation
• Le chauffage du four à oxydation à 300°C commence avec l’étape de la
pyrolyse proprement dite. Une fois que les pic S3 sont enregistrés, l’échantillon
est introduit dans le four d’oxydation à travers un passeur automatique, et il
subit une combustion sous air artificiel (N2/O2: 80/20) . la température varie
de 300°C à 850°C avec la détection des pics S4CO2, S4CO et S5.

13. S5
S3 CO
Béhar et al, 2001
Purge Vol. Pyrolyse
CO2

14. Cycle N°2
• Il saute l’étape de préchauffage du four pendant la phase de purge.
C’est cycle accéléré avec un régime de chauffage de 50°C/min au lieu de 25°C/min.
Cycle N° 3
• C’est un cycle réservé aux sédiments récents et aux hydrocarbures légers.
La température initiale est 180°C au lieu de 300°C.
Cycle dit N°4
• Les températures de début et de fin de programme ainsi que le régime de
chauffage sont choisis par l’opérateur lui-même.
CALIBRATION DE L’APPAREIL
Les paramètres enregistrés sont calibrés par rapport à une roche étalon que l’IFP
propose, c’est l’échantillon N° 37133.
Les valeurs caractéristiques de cet échantillon sont stockées dans le microprocesseur
et ils ne peuvent pas être effacés.

15. PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS POUR LA PYROLYSE
1. Echantillons de sub-surface
Les déblais
• La préparation est faite dès la
remonté des déblais sur le lieu de
forage:
1. Un lavage à l’eau pour éliminer
les polluants solubles de la boue,
2. Un tamisage pour sélectionner
les déblais à diamètre < 3-4mm,
3. Un triage sous la loupe des
polluants solides et pâteux,
4. Séchage soit de 15 à 20min
d’exposition à l’air de 500mg pour
éliminer l’eau d’imbibition.
Espitalié et al, 1985a

16. Les carottes
• L’échantillon doit être concassé avant la pyrolyse (2-3 mm de diamètre).
2. Echantillons de surface
Les terrains horizontaux ou à faible pendage
Les affleurements verticaux ou à pendage élevé
• Prélèvement à la tarière à 4m ou 5m de profondeur.
• On prélève à une vingtaine de centimètres de profondeur dans la couche en
évitant le contact de bancs indurés.

17. LES PARAMÈTRES ENREGISTRÉS PAR
LA PYROLYSE ROCK-EVAL (6)
S1: Quantité des HC libres (C1-C30) gaz + huile volatilisés à 300°C, en (mg HC/g roche).
S2: Le potentiel pétrolier: composés hydrocarbonés provenant du craquage du kérogène et des
composés extractibles lourds (résines et asphaltènes) entre 300°C et 650°C, en (mg HC/g roche).
TPS2: Température atteinte au sommet du pic S2, en °C.
S3: Quantité de CO2 organique détecté à des températures entre 390°C et 300°C durant la phase
de pyrolyse, en (mgCO2/g roche).
S’3: Quantité de CO2 minéral (inorganique) détecté depuis le début de la volatilisation jusqu’à
T=400°C, en (mgCO2/g roche).
S3CO: quantité de CO organique détecté depuis le début de la volatilisation jusqu’à T=550°C, en
(mgCO/g roche).
S’3CO: Quantité de CO organique et minéral enregistré à partir de la fin de l’enregistrement du
S3CO (T=550°C) jusqu’à la fin de la phase de pyrolyse, en (mgCO/g roche).
S4CO2: Quantité de CO2 organique résiduel détecté durant l’oxydation à une température entre
300°C et 720°C, en (mgCO2/g roche).
S4CO: Quantité de CO organique résiduel détecté durant toute la phase d’oxydation.
S5: Quantité de CO2 minéral détecté à partir de la fin de l’enregistrement de S4CO2 (T= 720°C)
jusqu’à la fin de l’oxydation T= 850°C, en (mgCO2/g roche).

18. Béhar et al, 2001

19. LES PARAMÈTRES CALCULÉS PAR
LA PYROLYSE ROCK-EVAL (6)
Tmax
Index de Production IP
Carbone Organique Total COT
Carbone Minéral CM
Index d’Hydrogène IH
Index d’Oxygène IO

20. Béhar et al, 2001

21. INTERPRÉTATION DES PARAMÈTRES
DE LA PYROLYSE ROCK-EVAL
Tmax
• C ’est la température maximale de la pyrolyse
mesurée au sommet du pic S2. C’est un
indicateur d’évolution (maturation) de la matière
organique.
Espitalié et al, 1985b
1. Le type de matière organique
Selon la variation de Tmax
Type de la MO Variation de Tmax
Type (I): Origine lacustre (400– 445)°C jusqu’à 450°C
Type (II): Origine marine (430 – 435)°C jusqu’à 455°C
Type (III): Origine
continentale
(430 – 435)°C jusqu’à
Tmax > 500°C

22. 2. Détermination des zones de
formation de pétrole
Espitalié et al, 1985b
Tmax est un bon paramètre pour
évaluer la maturité de la MO type
II et III.

23. Index de Production IP
• L’index de production représente de pétrole
produit par la roche mère au cours de son
évolution mais en absence de migration. Il
augmente en fonction de la profondeur.
Espitalié et al, 1985b
Zone de formation de gaz: 0,05 ≤ IP ≤ O,10
Zone de formation d’huile: 0,30 ≤ IP ≤ O,40

24. • Le COT est le paramètre de base à déterminer pour apprécier la
roche mère avant de procéder à d’autres analyses géochimiques.
•Une roche mère à COT < à 0,5 – 1% n’a aucun potentiel pétrolier:
toutes analyses ultérieures ne sont pas nécessaires.
Le Carbone Organique Total (COT)
Béhar et al, 2001

25. Le Carbone Minéral (CM)
• Le Carbone minéral est calculé par l’appareil ROCK-Eval 6 uniquement. Ce
module à été introduit pour éliminer l’interférence des quantités de carbone
libéré par les carbonates (sidérite, calcite et dolomite) dans le calcul du COT.
Béhar et al, 2001

26. L’Index d’Hydrogène (IH) et L’Index d’Oxygène (IO)
•Les diagrammes IH Vs. IO permettent de
reconnaitre et de classer les différents
types de la MO.
• Dans l’étude des kérogènes, ces
diagrammes remplacent actuellement
celui de Van Krevelen.
Espitalié et al, 1985b

27. • Les diagrammes IH/Tmax
permettent de définir à la fois
le type de matière organique et
son état d’évolution.
L’Index d’Hydrogène (IH) et L’Index d’Oxygène (IO)
Espitalié et al, 1985b

28. Facteurs influents sur les paramètres
de la pyrolyse
A. Les effets de la matrice minérale
1. Roche mère très argileuse ayant un COT < 0,5%
•Les valeurs de IH diminuent et la Tmax augmente considérablement à cause de
l’effet de rétention des hydrocarbures dans les argiles.
2. Présence des carbonates: Sidérite, calcite et dolomite
•Interférence du carbone minéral libéré par les carbonates dans le calcul du COT.
Ce problème est résolu avec l’apparition de l’appareil ROCK-EVAL 6.

29. •Le pic parasite S2 se produit:
a. Après l’enregistrement de S2: pendant le refroidissement si T° du four> 500°C.
b. Au cours de l’élaboration de S2: ionisation des sels minéraux.
B. Les effets des conditions opératoires
1. Le poids de l’échantillon
•Les valeurs de la Tmax augmentent si le poids de l’échantillon se situe au-dessous de 60 – 70g.
2. La granulométrie
3. Signal parasite: Double pic S2
Espitalié et al, 1985a
4. Un cycle de pyrolyse inadapté au type de sédiment
•L’augmentation de la granulométrie entraine l’augmentation de la Tmax .

30. C. Les effets du mode de prélèvement des échantillons
La perte des HC légers qui constituent le pic S1
1. Séchage des déblais sur le lieu de forage à T° atteignant 300°C,
2. Lors de la remonté des carottes ou des déblais dans le cas d’un forage profond,
3. Invasion des niveaux poreux par la boue, notamment par de la boue dense,
4. Forage à turbine à 800tr/min,
5. Séchage et broyage des échantillons après un temps de stockage (±) long.
La Pollution des déblais
1. Par ajout de gas oil dans les zones sous-compactées,
2. Par les adjuvants organiques de la boue de forage:
Solides (coquille de noix, lignite..) et solubles dans l’eau(amidon, tannins..)

31. LES APPLICATIONS DE LA PYROLYSE ROCK-EVAL
a. L’établissement des logs géochimiques,
b. Le potentiel pétrolier et la quantité des hydrocarbures produits,
c. Le type de matière organique et son degré de maturation,
d. L’étude des altérations de la matière organique,
e. L’établissement des cartes et des modèles géochimiques.
1. La caractérisation de la roche mère
2. L’étude des phénomènes de migration
a. Les accumulation,
b. Le drainage.
3. L’étude des roches réservoirs
4. L’étude de contamination des sols
5. Le raffinage

32. 1. La caractérisation de la roche mère
a. L’établissement des logs géochimiques
Bordenave et al, 1993
R0 >0,65. MO type III
• Les logs géochimique permettent,
au vue de l’ensemble des résultats,
une meilleure sélection des niveaux
dignes d’intérêt.

33. b. Le potentiel pétrolier de la roche mère
Espitalié et al, 1986
• Il correspond au pic S2. il traduit
la richesse de roche mère en MO.
Il permet de reconnaitre aisément
les différents niveaux de roche
mère et les comparer selon leur
productivité.

34. c. Le type de matière organique et son degré de maturation
Espitalié et al, 1986Espitalié et al, 1986

35. Espitalié et al, 1985b

36. Vanderbroucke, 2003

37. d. L’étude des altérations de la matière organique
• L’altération de surface
Espitalié et al, 1986
• Dégradation de la MO en affleurement
de la roche mère par oxydation
météorique.
• les échantillons dégradés montrent
une augmentation de IO et
corrélativement une diminution de IH.

38. • L’altération sédimentaire et diagénétique
Espitalié et al, 1986
•La MO se dégrade au cours du transport ou
la sédimentation (mauvaise préservation).
•Durant le diagénèse, la MO peut être
détruite suite à l’arrivé des eaux oxydantes.

39. e. L’établissement des cartes et des modèles géochimiques
• Les cartes géochimiques à partir des principaux paramètres des la pyrolyse sont
réalisables quand les puits étudiés sont suffisamment nombreux.
• Carte d’iso-Production (Iso-S1 ou Iso-IP)
• Carte d’iso-maturation (Iso-Tmax)
• Carte d’iso-Potentiel pétrolier (Iso-S2)
• Carte d’iso-Migration (Iso-∆S1)
• La combinaison de toute les cartes géochimiques permettent de sélectionner
les zones le plus productives d’un bassin, et de mieux localiser les zones
d’accumulation ou de drainage.

40. Distribution and properties of Cenomanian–Turonian
organic-rich marls/shales in NE Algeria.
(Sud-Est constantinois et confins tunisiens)
Carte d’Iso-COT Carte d’Iso-Maturation
Lüning et al. 2004

41. 2. L’étude des phénomènes de migration
Espitalié et al, 1986
Accumulation par
rétention
Drainage et migration
par expulsion
• Les accumulations
Très fréquentes dans les roches mère et
réservoir:
Roche mère: Déflexion positive des IP
Roche réservoir: Valeurs élevées de IP (0,1 à 0,5)
• Drainage et migration
Délicats à détecter. Ils correspondent à une
déplétion par expulsion des HC.

42. Examples of applying Rock-Eval 6 to the study of reservoir rocks.
Lafargue et al, 1998
3. L’étude des roches réservoirs
•La géochimie du réservoir est un
domaine en développement car il
contribue à l’identification des
intervalles les plus intéressants pour les
producteurs.
• Grâce l’appareil ROCK-EVAL 6, ces
analyses sont devenues utiles pour
l’exploitation des hydrocarbures lourds.

43. Lafargue et al, 1998
Examples of applying Rock-Eval 6 to the study of contaminated soils.
4. L’étude de contamination des sols
• En utilisant un cycle de pyrolyse dit
Pollut-Eval de 30min.
-Contamination des sols par HC légers,
-Contamination des sols par HC lourds.
Le type du polluant
La quantité du polluant
L’extension La zone de contamination

44. 5. Le raffinage
•La pyrolyse ROCK-EVAL peut s’adapter au suivi de conversion des résidus lourds du
pétrole par le craquage catalytique. Le carbone organique résiduel (S4) pourrait
remplacer l’analyse de carbone CONRADSON utilisée classiquement dans le raffinage.

45. CAS D’APPLICATION DES PARAMÈTRES
DE LA PYROLYSE EN ALGÉRIE
Modélisation géochimique de la RM
du Dévonien Inf. et Moy. du bassin d’Illizi
Makhous and Galushkin, 2005

46. Modélisation géochimique de la RM silurienne
dans le bassin de Oued Mya
Makhous and Galushkin, 2005

47. Modélisation géochimique de
l’évolution de la roche mère silurienne
dans le bassin de Berkine en utilisant
Le logiciel PETROMOD 1D
Sondage Well-1

48. a. Chargement des données géologiques (âges, épaisseurs, érosions, lithologie..)
b. Chargement des données géochimiques (COT, S2, Tmax, IH,R0... )
c. Choix de la méthode de modélisation
1. CHARGEMENTS DES DONNÉES

49. a. Calcul de la variation eustatique mondiale PWD (Courbe d’Exxon, Haq, Vail…),
b. Calcul des paléo-températures SWIT en fonction de la dérive des continents (Charte
de Wygrala et abaques),
c. Calcul de la variation du flux thermique HF en fonction du contexte géodynamique.
2. CALCUL DES PARAMÈTRES CINÉTIQUES

50. 3. LES DIFFÉRENTS STADES DE GÉNÉRATION DES HYDROCARBURES
EN FONCTION DE LA COURBE D’ENFOUISSEMENT

51. 4. STADE D’EXPULSION DE L’HUILE

52. 5. STADE D’EXPULSION DE GAZ

53. CONCLUSIONS
• Conçue pour répondre aux besoins de l’exploration pétrolière, la méthode ROCK-EVAL
est maintenant largement utilisée. Elle fourni, en effet, et d’une façon rapide, des
informations sur le contenu organique des roches, le potentiel pétrolier des roches
mères, la nature des kérogènes et leur état de maturation.
• La combinaison de la méthode ROCK-EVAL aux autres méthodes géochimiques telles
que l’analyse élémentaire des kérogènes, la réfléctance de la vitrinite (R0), le gaz-
chromatographie, reste nécessaire dans le cas des échantillons critiques et particuliers.
• La modélisation géochimique 1D, 2D, et 3D des paramètres de la pyrolyse ROCK-EVAL,
en utilisant les logiciels GENEX ou PETROMOD…, fournit des information précieuses sur
l’histoire et l’évolution cinétique de la roche mère ainsi que le bassin qui la renferme.
En effet, les phases de génération des différents hydrocarbures, ainsi que les périodes
d’expulsion sont décelables à travers des courbes d’enfouissements établies pour un
bassin d’étude.

54. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Béhar,F. , Beaumont, V., De B. Penteado, H.L. (2001) Rock-Eval 6 Technology: Performances and
Developments. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, 56, 111-134.
Béhar, F., Leblond, C., Saint-Paul, C. (1989) Analyse quantitative des effluents de pyrolyse en
milieu ouvert et fermé. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, 44, 387-411.
Bordenave, M.L., Espitalié, J., Leplat, P.,Oudin, J.L., Vanderbroucke, M. (1993) Screening
techniques of source rock evaluation. Applied petroleum geochemistry. Editions Technip. 524p.
217-278.
Espitalié, J., Deroo, G., Marquis, F. (1986c) La pyrolyse Rock-Eval et ses applications. Oil & Gas
Science and Technology - Rev. IFP, 41, 1, 73-89.
Espitalié, J, Deroo, G., Marquis, F. (1985b) La pyrolyse Rock-Eval et ses applications. Oil & Gas
Science and Technology - Rev. IFP, 40, 6, 755-783.
Espitalié, J., Deroo, G., Marquis, F. (1985a) La pyrolyse Rock-Eval et ses applications. Oil & Gas
Science and Technology - Rev. IFP, 40, 5, 563-579.

55. Lafargue, E., Marquis, F., Pillot, D. (1998) Rock-Eval 6 Applications in Hydrocarbon Exploration,
Production and Soils Contamination Studies. Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, 53, 4,
421-437.
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Makhous, M., Galushkin, Y. (2005) Basin Analysis and Modeling of the Burial, Thermal and
Maturation Histories in Sedimentary Basins. Editions Technip. 339p.
Vandenbroucke, M . (2003) Kerogen: from Types to Models of Chemical Structure. Oil & Gas
Science and Technology - Rev. IFP, 58, 2, 243-269.