Déplacement de liquides par osmose étudié en microfluidique : application à la récupération du pétrole

Microfluidic study of the liquids displacement by osmosis for EOR

• Auteur / Autrice : Erwan Crestel
• Direction : Nicolas Brémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 29/03/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris) - Chimie Biologie Innovation / CBI
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Brémond, Annie Colin, Cécile Cottin-Bizonne, Jean-Christophe Baret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Cottin-Bizonne, Jean-Christophe Baret

Mots clés

Mots clés libres

Osmose

Microfluidique

Pétrole

Interfaces

Émulsion

Physico-Chimie

Osmosis

Microfluidic

Oil

Interfaces

Emulsion

Physico-Chemistry

Résumé

La récupération améliorée du pétrole ("Enhanced Oil Recovery : EOR") regroupe diverses techniques ayant pour objectif d'augmenter le rendement de l'extraction de pétrole brut. Parmi elles, l'injection d'eau peu salée ("Low Salinity Waterflooding") est utilisée depuis plus de 20 ans et a démontré une efficacité additionnelle de 5 à 20 %. Une des hypothèses expliquant ce phénomène repose sur l'osmose qui est un mécanisme de diffusion d'un solvant à travers une membrane semi-perméable afin d'équilibrer son potentiel chimique de part et d'autre de cette dernière. Durant ces travaux de thèse, des systèmes expérimentaux ont été élaborés afin de mettre en évidence le flux d'eau à travers une membrane huileuse soumise à un gradient de potentiels chimiques. Un premier dispositif est constitué d'un capillaire en verre scellé où un ménisque d'huile sépare deux réservoirs d'eau ayant une concentration en solutés différente. Le déplacement de ce dernier est suivi au cours du temps nous permettant de quantifier le flux d'eau à travers le ménisque. Cette configuration simple nous a permis d'étudier des huiles de différentes natures et de modifier la concentration en soluté dans les phases aqueuses ou bien la température. Des formulations plus complexes avec des composés typiques du pétrole comme les asphaltènes ou bien des tensioactifs ont aussi été explorées mettant en lumière d'autres phénomènes de transport de molécules d'eau avec un impact sur la vitesse de déplacement de l'huile. Nous avons entre autres observé la nucléation de gouttes d'eau dans la phase organique qui sont ensuite auto-propulsées sous l’effet du gradient de potentiel chimique. Ce dispositif a également permis de quantifier le flux d'eau à travers des pétroles bruts fournis par Total. Afin de se rapprocher d'un système réel, nous avons développé un dispositif microfluidique pour modéliser un milieu poreux. Ce système est composé de microcavités piégeant de la saumure séparée d'un réservoir d'eau peu salée par une fine couche d'huile. Ainsi, nous avons pu déterminer des temps de rupture de ces poches d'huile gonflée sous pression osmotique en fonction de différents paramètres (volume d'huile, salinité de l'eau d'immersion et de la saumure) mais également d'étudier l'influence du mouillage sur les mécanismes d'expulsion de l'huile.

Enhanced Oil Recovery (EOR) gathers various techniques to increase the efficiency of crude oil extraction. Among them, the Low-Salinity Waterflooding (LSW) has been used for more than 20 years and has demonstrated an additional efficiency of 5 to 20%. One of the hypotheses explaining this phenomenon rests on osmosis, which is a diffusion mechanism of a solvent through a semi-permeable membrane in order to balance chemical potential on both sides. During this thesis, experimental systems were developed in order to highlight the water flux through an oily membrane when subjected to a gradient of chemical potential. A first device consists of a sealed glass capillary where an oil meniscus separates two water reservoirs with a different solute concentrations. The meniscus movement is monitored over time, allowing to quantify the flow of water through the meniscus. This simple configuration gave us the opportunity to study differents kinds of and to modify the solute concentration in the aqueous phases or the temperature. More complex formulations with typical petroleum compounds such as asphaltenes or surfactants have also been explored, highlighting other water transport phenomena with an impact on the movement speed of the oil. Among other things, we observed the nucleation of drops of water in the organic phase which are then self-propelled under the effect of the chemical potential gradient. This device also made possible to quantify the flow of water through crude oils supplied by Total. In order to get closer to a real system, we developed a microfluidic device to model a porous medium. This system is composed of microcavities containing brine and separated from a low salinity reservoir with a thin oil layer. Thus, we have been able to determine the breaking times of these oil pockets inflated by osmotic pressure according to different parameters (oil volume, salinity of the immersed water and brine) but also to study the influence of the wetting properties on the mechanisms for expelling the oil.