Soutenance mémoire
Motivations industrielles
La demande énergétique mondiale augmente de manière significative. En revanche, les ressources énergétiques de la terre restent limitées. Face à cette contrainte, plusieurs pays tentent de sécuriser leurs apports énergétiques en matières fossiles et de développer le secteur des énergies renouvelables. Le pétrole reste tout de même la source numéro un de l’approvisionnement en énergie de la plupart des pays du monde. Cette ressource représente 32% de la consommation énergétique mondiale en 2017 [1].
Face au déclin des découvertes de gisements pétroliers ces dernières années, d’autres voies plus technologiques sont proposées pour augmenter la production des réservoirs pétroliers existants. La récupération assistée du pétrole connue sous le nom de EOR ou Enhanced Oil Recovery consiste à utiliser différentes techniques physico-chimiques, thermiques ou biologiques afin d’accroître la production des huiles pétrolières après les récupérations dites primaire et secondaire. Dans la récupération primaire, l’énergie naturelle du réservoir est utilisée avec un système de pompes pour faciliter la remontée des huiles à la surface. Cette méthode permet de récupérer en moyenne entre 5% et 15% des réserves en place [2]. La récupération secondaire nécessite l’injection d’eau ou de gaz (généralement un gaz d’hydrocarbures liquéfié) comme fluide déplaçant, ce qui permet de récupérer quelques 30% en plus [3].
L’utilisation du gaz permet de maintenir la pression du réservoir suffisamment élevée pour prolonger la récupération. Cette technique peut comprendre plusieurs méthodes selon la miscibilité du gaz avec l’huile ou la technologie déployée, ce qui permet de la classifier tantôt en récupération secondaire tantôt en technique EOR. Mise à part la classification, l’injection de gaz est l’une des techniques les plus répandues parmi toutes les autres techniques aussi bien en on-shore qu’en off-shore (cf. Figure 1) [4].
Malheureusement, dans la plupart des champs pétroliers, cette efficacité de balayage est faible en raison des phénomènes de ségrégation gravitaire (densité de gaz faible par rapport à l’huile), des phénomènes de digitation visqueuse (viscosité de gaz faible par rapport à celle de l’huile) et des hétérogénéités du réservoir. L’utilisation d’une mousse, composée majoritairement de gaz, permet de remédier à ces différents problèmes (cf. Figure 2). La mousse réduit la mobilité du gaz en augmentant sa viscosité et/ou en réduisant sa perméabilité relative. Son efficacité de balayage a été prouvée sur différents pilotes [5–8]. Elle a été utilisée pour la première fois comme technique EOR en 1958 grâce au brevet de Boud, D. C. et Holbrook, O. C [9]. Depuis, plusieurs études, principalement issues de l’industrie du pétrole, ont vu le jour, mais plusieurs zones d’ombre persistent, notamment la compréhension des phénomènes physiques qui contrôlent les écoulements et leur mise à l’échelle entre les études au laboratoire et la dynamique de la mousse à l’échelle du réservoir.
Motivations scientifiques
En dépit d’un nombre important de recherches actives sur le sujet, beaucoup d’incertitudes voire des divergences demeurent quant à la physique décrivant la propagation des mousses dans les milieux poreux. Par souci de simplicité et de rapidité d’application, les industriels s’attachent à décrire la rhéologie de la mousse par des mesures de pression et de débits et d’en déduire indirectement des paramètres pétro-physiques qui seront utilisés dans les modèles physiques d’écoulement. Or la précision de ces modèles reposent sur l’interprétation de ces mesures d’une part et sur le grand nombre d’expériences à effectuer pour adapter les modèles au cas du réservoir d’autre part. La mesure du gradient de pression le long du milieu poreux rend compte globalement de phénomènes à différentes échelles, et pour décrire l’échelle microscopique, elle s’appuie sur une physique principalement basée sur des observations, en une ou deux dimensions, d’écoulements de mousses dans des milieux modèles ou des canaux micro fluidiques. Peu de travaux sont dédiés à la caractérisation des mousses in situ dans des milieux poreux réels avec des réseaux poreux complexes et tridimensionnels.
L’un des défis de cette thèse est de relier les mesures pétro-physiques macroscopiques à des mesures locales in situ pendant l’écoulement de la mousse dans des milieux poreux en trois dimensions. L’opacité du milieu est le premier obstacle pour rendre compte des phénomènes observés aux différentes échelles. Le deuxième est de sélectionner des techniques ayant une résolution spatiale et temporelle appropriée pour mesurer in situ les caractéristiques fines de la mousse en conditions d’écoulement. En effet, ce n’est pas tant l’utilisation de la technique la plus résolue en temps et dans l’espace qui permettra de rendre compte des phénomènes observés (surtout à l’échelle industrielle) mais plutôt la combinaison de différentes techniques offrant une grande diversité de résolutions spatiales et temporelles (cf. Figure 3). Enfin, l’écoulement des mousses en milieux poreux nécessite une bonne maîtrise des conditions expérimentales et des conditions d’injection à haute pression, ce qui requiert une compétence en pétro-physique.
Description multi-échelle de la mousse hors milieu poreux
Définition de la mousse
La mousse liquide est un système colloïdal composé d’une phase liquide contenant des molécules de tensioactifs et d’une phase gazeuse. La phase liquide est continue tandis que la phase gazeuse est dispersée sous forme de bulles dans la phase liquide. La mousse d’apparence fragile, arrive à créer un grand ensemble d’interfaces liquides/gaz stabilisées par les tensioactifs . Ceci confère à la mousse des propriétés physicochimiques intéressantes utilisées dans des domaines industriels très variés : produit détergent en cosmétique, fluides extincteurs pour les incendies ou agent isolant dans le traitement de surface, etc.
Structure de la mousse à différentes échelles
La mousse est aussi un système métastable, qui évolue dans le temps et dans l’espace en fonction des contraintes physico-chimiques appliquées (température, pH, pesanteur, adhésion aux parois, etc.). Cette évolution affecte les éléments qui forment sa structure, qui s’étale sur plusieurs échelles du nanomètre au micromètre [12], voire au millimètre. A l’échelle nanométrique on trouve les tensioactifs. Ce sont des molécules nécessaires pour stabiliser les films liquides (appelés aussi «lamelles») entourant les bulles [13]. Les tensioactifs s’organisent souvent sous forme de monocouches avec la tête hydrophile dans la phase liquide et la queue hydrophobe dans la phase gazeuse. Les propriétés d’élasticité de surface et de viscosité des films liquides sont influencées par la nature, l’organisation et la concentration des tensioactifs. A L’échelle micrométrique, la mousse est décrite par les « bords de Plateau » en référence au physicien et mathématicien belge Joseph Plateau (XIXème siècle). Il s’agit de canaux liquides épais se situant entre les bulles et formés par l’intersection de trois films liquides. Ils peuvent facilement être vus à l’œil-nu. Ces bords de Plateau se rejoignent quatre par quatre au sommet d’une bulle pour former un nœud ou un vertex .
La structure statique de la mousse Bulk est totalement contrôlée par la minimisation d’énergie à travers la minimisation des aires interfaciales liquide/gaz. Néanmoins, il existe différents phénomènes physiques qui déstabilisent la mousse [14], à savoir :
– Le murissement : Diffusion du gaz à travers les films liquides par différence de pression de Laplace entre les bulles. Les petites bulles disparaissent au profit des grandes bulles.
– Le drainage liquide : Écoulement liquide des films vers les bords de Plateau à cause de la différence de courbure entre les deux. A l’échelle de la mousse le drainage liquide se fait via les bords de Plateau à cause de la gravité.
– La succion capillaire : Rupture du film liquide séparant deux bulles sous l’effet de la pression capillaire. Ce phénomène est responsable de la coalescence des mousses et est décrit en détails dans le cas des mousses en milieux poreux .
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Table des matières
INTRODUCTION
I. Motivations industrielles
II. Motivations scientifiques
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES MOUSSES
I. Description multi-échelle de la mousse hors milieu poreux
A. Définition de la mousse
B. Structure de la mousse à différentes échelles
II. Écoulement des mousses en milieux poreux (Aspects microscopiques)
A. Définition de la mousse en milieu poreux
B. Les méthodes d’injection
C. Texture et qualité de la mousse
D. Mécanismes de formation et de déstabilisation de la mousse
III. Écoulement des mousses en milieux poreux (Aspects macroscopiques)
A. Comportements transitoire et stationnaire
B. Paramètres influençant l’écoulement de la mousse
IV. Réduction de la mobilité du gaz par la mousse
A. Viscosité effective du gaz
B. Perméabilité relative du gaz
V. Conclusion du premier chapitre
CHAPITRE II : CARACTERISATION MACROSCOPIQUE DE L’ECOULEMENT DES MOUSSES EN MILIEU CONSOLIDE PAR TOMOGRAPHIE X
I. Introduction
A. Introduction à la tomographie X
B. Description du Scanner de l’IFPEN
II. Matériels et expériences
A. Caractérisation du système fluide-roche
B. Développement d’un montage d’injection de fluides dans les milieux poreux
C. Expériences d’écoulement de mousses sous Scanner X
III. Caractérisation macroscopique de la mousse en écoulement
A. Écoulement diphasique gaz-saumure
B. Formation de la mousse
C. Rhéologie de la mousse à l’état stationnaire
D. Coalescence de la mousse en milieu poreux
IV. Conclusion du deuxième chapitre
CHAPITRE III : CARACTERISATION DE L’ECOULEMENT DES MOUSSES DANS UN MILIEU GRANULAIRE PAR DIFFUSION DES NEUTRONS AUX PETITS ANGLES
I. Introduction
A. Généralités sur la diffusion des neutrons aux petits angles
B. Caractérisation des mousses « Bulk » par SANS
II. Matériels et méthodes
A. Travail préparatoire
B. Expériences d’écoulement de mousses sous acquisitions SANS
III. Texture de la mousse en écoulement
A. Analyse des spectres de diffusion
B. Influence de la qualité de la mousse sur son écoulement (Expérience LLB)
C. Comportement de la mousse le long du milieu poreux (Expérience ILL)
IV. Relation entre la géométrie du réseau poreux et la structure de la mousse
A. Évolution de la taille de bulle moyenne
B. Densités volumiques des bulles et des lamelles
C. Nombre de lamelles par bulle
V. Conclusion du troisième chapitre
CHAPITRE IV : ÉCOULEMENT DE LA MOUSSE A L’ECHELLE DU PORE EN 3D
I. Introduction
II. Matériels et expérience
A. Présentation de la ligne ID19 de l’ESRF
B. Expérience
C. Acquisition des images
III. Résultats
A. Caractéristiques microscopiques de la mousse
B. Traitement des images
IV. Discussion
V. Conclusion du quatrième chapitre
CONCLUSION GENERALE
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