Revêtements diamant pour surfaces actives sur capteurs du domaine pétrolier

Diamond coatings for active surfaces for oil and gas exploration sensors

• Auteur / Autrice : Guillaume Berthet
• Direction : Philippe Bergonzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/05/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Capteurs Diamant
• Jury : Président / Présidente : Farzaneh Arefi-Khonsari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Tallaire, Stanislas Hascoët, Emmanuel Scorsone, Kamran Danaie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Silva, Karine Groenen Serrano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant -- Couches minces

Propriétés physico-chimiques

Diamant

Appareils et matériel

Forage

Nickel -- Alliages

Électrochimie industrielle

Mots clés libres

Revêtement

Diamant

Mouillabilité

Pétrôle

Surface active

Coating

Diamond

Wettability

Oil and gas

Active surface

Résumé

Dans le domaine pétrolier les alliages de nickel tels que l’Inconel sont majoritairement utilisés au cours des forages pour leur bonne résistance mécanique et chimique face à H2S, CO2 ou des acides carboxyliques. Cependant, en dépit de leurs excellentes propriétés, les parties sensibles des capteurs réalisés à partir de ces matériaux voient leurs performances altérées par les environnements hostiles de forages (conditions hautes pressions et hautes températures), la corrosion et l’abrasion. De plus, ces capteurs peuvent être exposés à divers fluides, durant un même forage, contenant des particules solides ou de très grosses molécules organiques telles que les asphaltènes, paraffines ou résines qui ont tendance à s’agglomérer sur les surfaces hydrophiles métalliques. Le diamant a été identifié comme un excellent candidat pour la fabrication de revêtements de protection pour des capteurs embarqués lors de forages pétroliers. En effet, le diamant offre une excellente résilience mécanique, une grande inertie chimique, un module d’Young élevé et une résistance à l’encrassement qui font de lui un matériau parfaitement adapté pour une utilisation en conditions hostiles. Cependant la réalisation d’un dépôt de diamant sur Inconel ne peut pas être réalisée via les solutions usuelles de MP-CVD. Les résultats de cette étude présentent trois différents procédés permettant d’obtenir un revêtement diamant adhérent sur des pièces 3D d’Inconel718. Ces procédés se différencient par leur rugosité et leur complexité de mise en œuvre. Leurs bénéfices sur des capteurs de densité-viscosité ont été évalués face à divers fluides pétroliers particulièrement encrassants. Pour lutter contre ces encrassements, deux approches ont été identifiées comme étant prometteuses : (i) développer des surfaces exploitant l’effet Lotus en réalisant une microstructure superhydrophobe, et (ii) optimiser un traitement électrochimique permettant de nettoyer des surfaces in-situ sans intervention humaine. Cette étude a permis de comprendre les mécanismes réactionnels en mettant en avant le rôle de la dégradation de l’eau lors du traitement électrochimique. Grace à cela, ces travaux indiquent les conditions d’utilisations et les limites du procédé. De plus le potentiel de cette technique face à des fluides de forage et du pétrole brut a été démontré avec succès.

In the field of oil and gas industry, Inconel alloys are largely used for their high strength and good corrosion resilience to H2S, CO2 and carboxylic acids. However, those of despite their excellent properties compare to other alloys, some specific oil and gas parts such as the sensitive areas of some sensors may require a special attention as high pressure high temperature (HPHT) environment, corrosion and abrasion may affect their performances in the long term. Additionally, oil and gas sensors may often be exposed, during the same drilling work, to various drilling fluids containing hydrophilic solid particles or heavy molecules such as asphaltenes, resins or heavy alkanes which tend to aggregate on hydrophilic alloy surfaces. Diamond coatings have thus been identified as attractive candidates to protect sensor used during drilling operations. Indeed, diamond materials due to their excellent hardness and wear, low friction coefficient, corrosion resilience and chemical inertness further to high natural resilience to fouling are especially suitable to be used in harsh environments. However, diamond coating on Ni-alloy such as Inconel could not be done by MP-CVD common processes. The current study has proposed solutions, and namely the development of three different processes aiming at a strong and adherent diamond coating on Inconel718. These three processes differ by their roughness and their difficulties of implementation. Their advantages for density-viscosity sensors have been assessed in various drilling fluids, and two specific approaches have been identified as particularly promising to mitigate fouling, namely (i) to create a diamond superhydrophobic surface through micro-structuration to get the antifouling Lotus properties, and (ii) the optimization of an electrochemical treatment aiming at cleaning in situ the diamond surfaces downhole. This study has led to propose reaction mechanisms and demonstrated the role of degraded water on the electrochemical treatment. The thesis has demonstrated the potentialities and identified the limits of those approaches. Efficiency of the electrochemical process applied to drilling fluids and crude oils fouling have been successively demonstrated.