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Dirigée par Christine Dalmazzone et Annie Colin Présentée et soutenue publiquement le 28 Septembre 2015Devant un jury composé de :
Rapporteur
Wiebke Drenckhan Chargée de recherche (CNRS) RapporteurAnke Lindner Examinateur
Annie Colin Directeur de thèse
Christine Dalmazzone Ingénieur de recherche IFPEN / Expert Directeur de thèseYannick Peysson Ingénieur de recherche IFPEN Promoteur de thèse Nicolas Pannacci Ingénieur de recherche IFPEN Invité
François Gallaire Invité
Patrick Moreau Responsable de Laboratoire "SurfactantFlooding", Solvay
QRXYHOOHSULVHGHIRQFWLRQ
HQFDGUDQWVHW%HQMDPLQ+(5=+$)7
&RFR $XUpOLH &KULVWLQH12,.$OLQH'(/%26DUpDOLVpHVSHQGDQWVRQVWDJH
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UHFRQQDvWUHDYHFFHVGHX[LQGLFHV
VRLWGDQVODPDLOLQJOLVWGHVRQSURSUH
FDGHDX
$PHVJUDQGVSqUHVSommaire
Remerciements ........................................................................................................................... 3
Sommaire ................................................................................................................................... 6
Nomenclature ............................................................................................................................. 9
Introduction .............................................................................................................................. 14
: Etude bibliographique ........................................................................................... 17
I.1 Récupération assistée du pétrole ..................................................................................... 18
I.1.1 Formation du pétrole et des roches réservoirs [5] .................................................... 18
........................................................................................ 19 ........................................................................... 21 .............................................................................................. 21I.2.2 Formulations EOR tensioactives.............................................................................. 27
I.2.3 Microémulsions ........................................................................................................ 29
I.2.3.1 Classification des microémulsions .................................................................................. 29
I.2.3.2 Propriétés des microémulsions ...................................................................................... 32
.................... 36I.2.4.1 Diffusion des espèces tensioactives aux interfaces ....................................................... 36
I.2.4.2 Adsorption des tensioactifs aux interfaces .................................................................... 37
I.2.4.3 Diffusion et adsorption ................................................................................................... 40
I.3 Tensiomètres microfluidiques ......................................................................................... 41
I.3.1 Equation de Young-Laplace .................................................................................... 42
I.3.1.1 Statique : analyse de profil de gouttes ........................................................................... 42
I.3.1.2 Quasi-statique ................................................................................................................ 44
I.3.1.3 Dynamique ..................................................................................................................... 45
I.3.1.3.1 Volume de gouttes .................................................................................................. 45
I.3.1.3.2 Fréquence de formation de gouttes ....................................................................... 45
I.3.1.3.3 Différence de pression dans un canal ..................................................................... 46
I.3.2 Déformation des gouttes .......................................................................................... 47
I.3.3 Ecoulement hélicoïdal .............................................................................................. 48
I.3.4 Tensiomètre basé sur des particules magnétiques ................................................... 49
-nsion interfaciale.......................................................................................................................................... 50
I.3.5.1 Instabilité de Rayleigh-Plateau ....................................................................................... 50
I.3.5.2 Perspectives et faisabilités ............................................................................................. 57
: Matériels et méthode ............................................................................................ 60
II.1 Produits utilisés .............................................................................................................. 61
II.2 Tensiométrie classique .................................................................................................. 62
II.2.1 Goutte pendante ...................................................................................................... 62
II.2.2 Goutte tournante ..................................................................................................... 62
II.2.3 Scan de salinité classique : méthode des vials ........................................................ 63
II.3 Microsystème à pression atmosphérique et température ambiante ............................... 64
II.3.1 Fabrication .............................................................................................................. 64
II.3.2 Traitement de surface des capillaires ...................................................................... 66
II.3.2.1 Traitement hydrophile .................................................................................................. 67
II.3.2.2 Traitement hydrophobe : silanisation [57] .................................................................... 67
II.3.2.3 Traitement de surface pour le pétrole brut .................................................................. 68
II.4 Montage microfluidique haute pression et haute température ....................................... 68
II.4.2 Spécifications pour la transition jet-gouttes ........................................................... 70
II.4.2.1 Pousse-seringues ........................................................................................................... 70
II.4.2.1.2 Gamme de débits ................................................................................................... 70
II.4.2.1.3 Régulation en température .................................................................................... 73
II.4.2.2.1 Centrage ................................................................................................................. 73
II.4.2.3 Contre-pression ............................................................................................................. 75
II.4.2.4 Evolutions possibles ...................................................................................................... 76
II.4.2.4.1 Mesure de viscosité en ligne .................................................................................. 76
II.4.2.4.3 Microrecombinaison du pétrole brut ..................................................................... 77
II.4.3 Mode opératoire ...................................................................................................... 77
II.4.4 Traitement des données (Matlab) ........................................................................... 79
II.4.4.1 Modèle .......................................................................................................................... 79
II.4.4.2 Détermination de la tension interfaciale et incertitudes .............................................. 81
: Mesure des propriétés interfaciales : de la transition théorique à la transitionexpérimentale. .......................................................................................................................... 83
III.1 Détermination des limites ............................................................................................. 84
III.1.1 Hypothèses du modèle : de la transition théorique à la transition expérimentale . 84
III.1.1.1 Centrage ....................................................................................................................... 89
III.1.1.2 Mouillage ...................................................................................................................... 90
III.1.1.3 Hypothèse de lubrification ........................................................................................... 91
III.1.1.4 Inertie : nombre de Reynolds ....................................................................................... 93
III.1.1.5 Gravité : nombre de Bond et nombre de Galilée ......................................................... 95
III.1.2 Application de la méthode sur quatre décades ...................................................... 97
III.1.2.1 Tensions interfaciales intermédiaires .......................................................................... 97
III.1.2.2 Tensions interfaciales ultra-basses ............................................................................. 100
III.1.3 Résumé ................................................................................................................ 107
III.2 Etude des effets dynamiques
............................................................................................................................................ 108
III.2.1 Cinétique rapide : DTAB .................................................................................... 109
III.2.1.1 Isotherme de Langmuir .............................................................................................. 109
III.2.1.2 Asymptotes de Ward et Tordai .................................................................................. 112
III.2.2 Cinétique lente : Triton X100 .............................................................................. 114
III.2.2.1 Isotherme de Langmuir .............................................................................................. 116
III.2.2.2 Asymptotes de Ward et Tordai .................................................................................. 116
III.2.3 Paramètres et cinétique ........................................................................................ 119
III.2.4 Résumé ................................................................................................................ 122
III.3 Optimisation des formulations EOR .......................................................................... 122
III.3.1 Formation et structures des microémulsions ....................................................... 123
III.3.1.1 Formation ................................................................................................................... 123
III.3.1.2 Structures ................................................................................................................... 127
III.3.1.3 Analyse rhéologique ................................................................................................... 133
........................................................................................................ 136
III.3.2.1 Méthode de Huh ........................................................................................................ 136
III.3.2.2 Tensiomètre microfluidique et goutte tournante ...................................................... 138
III.3.3.1 Observation particulières ........................................................................................... 140
III.3.3.1.1 Goutte tournante ................................................................................................ 140
III.3.3.1.2 Tensiomètre microfluidique ................................................................................ 142
III.3.3.2 Tensiomètre microfluidique et goutte tournante ...................................................... 142
III.3.3.3 Optimisation par expérimentation haut débit ........................................................... 146
III.4.1.2 Tensiomètre microfluidique et goutte tournante ...................................................... 154
III.4.2.1 Système hors-équilibre ............................................................................................... 156
III.4.2.2 Système pré-équilibré ................................................................................................ 157
III.4.3.1 Nature de la transition jet-gouttes ............................................................................. 159
III.4.3.2 Tensiomètre microfluidique et goutte tournante ...................................................... 159
1.1.1. Sulfonates de pétrole (petroleum sulfonates) ........................................................ 178
1.1.2. ;ɲ-olefin sulfonates) ........................................................................................ 178
1.1.3. Alkylarylsulfonates .................................................................................................. 178
1.1.5. AES (alkyl ether sulfonate) ...................................................................................... 179
1.1.6. AGES (alkyl glyceryl ether sulfonate) ....................................................................... 179
1.2.1. SDBS ......................................................................................................................... 179
1.2.2. Triton X100 .............................................................................................................. 179
1.2.3. DTAB ........................................................................................................................ 180
D D O /RQJXHXUGHODFKDvQHDOLSKDWLTXH /RQJXHXUGXMHW33UHVVLRQ
33UHVVLRQDXVHLQGXIOXLGHH[WHUQH
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