Propriétés dimensionnelles/viscosimétriques et taux de ramification du poly(2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonate de sodium) utilisé en récupération assistée des hydrocarbures

Dimensional/Viscosimetric properties and branching rate of poly(sodium 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonate) of high molar mass used for Enhanced Oil Recovery

• Auteur / Autrice : Mathilde Pucheu
• Direction : Bruno Grassl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et environnement
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Reynaud, Hervé Cottet, Frédéric Violleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Cottet, Frédéric Violleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrole -- Exploitation

Mots clés libres

Poly(2-Acrylamido-2-Méthylpropane sulfonate de sodium)

Haute masse molaire

Taux de ramification

Propriétés dimensionnelles

Propriétés viscosimétriques

Poly(sodium 2-Acrylamido-2-Methylpropane sulfonate

High molar mass

Branching rate

Dimensional properties

Viscosimetric properties

Résumé

Le pétrole est à la base du développement de notre société moderne, offrant accès à une source d'énergie abondante, bon marché et facilement transportable. Il est utilisé aussi bien pour la production d'électricité que pour les transports et représente la première source de matières premières pour l'industrie chimique. La production de pétrole est généralement assurée par des réservoirs matures exploités par injection d'eau dans un but de maintien de pression ou de balayage du réservoir. Pour améliorer l'efficacité de balayage du réservoir par l'eau injectée, la technique d'injection de polymères hydrosolubles a été développée. L'addition de polymère augmente la viscosité de l'eau injectée du pétrole par un balayage plus efficace du réservoir. Il est ainsi possible d'augmenter la production de pétrole tout en diminuant l'emprunte carbone. Les principaux polymères utilisés pour cette application sont de la famille des polyacrylamides. L'optimisation du procédé requiert une connaissance précise des relations structures-propriétés des polymères utilisés afin de mieux appréhender leurs propriétés viscosifiantes et de transport en milieu poreux. L'objectif est de mettre en place des méthodes analytiques pour la détermination de la distribution en masse molaire et du taux de ramification des polymères étudiés afin de pouvoir corréler les résultats obtenus aux propriétés rhéologiques et au comportement en filtration de leurs solutions. C'est pourquoi, dans le cadre de la thèse, quatre volets (WP pour work packaging) sont abordés afin de répondre au mieux à cette problématique concernant sa structure. Le premier volet (WP1) consiste à caractériser les différents polymères industriels à travers différents outils analytiques qui sont la Chromatographie d'Exclusion Stérique (Size Exclusion Chromatography (SEC)) couplée à un détecteur de diffusion de lumière multi-angle (Multi-Angle Light Scattering (MALS)) pour la taille (masse molaire, Mw, et rayon de giration, Rg), et la rhéologie capillaire pour la viscosité intrinsèque et les courbes d'écoulement (rhéogramme). Ensuite, vient le second volet (WP2) qui a pour but d'étudier le taux de ramification des polymères. Pour ce faire, deux approches analytiques vont être utilisées. La première est la Py-GC/MS, la pyrolyse (Py) couplée à la Chromatographie en Phase Gazeuse (Gaz Chromatography (GC)) couplée elle aussi à la Spectrométrie de Masse (Mass Spectrometry (MS)) afin d'évaluer la microstructure du polymère. La deuxième partie de ce volet est la comparaison des paramètres structuraux (Mw, Rg et viscosité intrinsèque) obtenus par analyses SEC-MALS, diffusion de la lumière (MALS) et rhéologie capillaire. Un système de mélange continu automatique (Automatic Continuous Mixing (ACM)) couplé au rhéomètre capillaire et au MALS sera développé pour faire des analyses en ligne de viscosité intrinsèque et de masse molaire. Ce développement instrumental fait l'objet du troisième volet (WP3). Pour finir, le quatrième volet (WP4) consiste à étudier les propriétés des polymères pendant la filtration.

The knowledge of the dimensional properties (Mw, Rg, and the distributions), the viscosimetric properties ([η]), as well as, the branching rate of polymers is primordial for the implementation of a satisfactory Enhanced Oil Recovery (EOR) via polymer flooding. The principal objective of this thesis was to develop analytical methods in order to determine the characteristics of an optimized macromolecule developed by the SNF company, the poly(sodium 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonate) (P(ATBS)). Two categories of P(ATBS) were studied: the models and the industrials. The models of high molar masses (1-6 million g/mol) were synthetized by Controlled Radical Polymerization (CRP), for which the branching was controlled by the addition of a crosslinking agent. While the industrials of higher molar masses (8-19 million g/mol) were obtained by Radical Polymerization (RP), for which the branching could be induced by chain transfer reactions. The characterization of the dimensional/viscosimetric properties and the branching rate for both P(ATBS) categories was performed by Size Exclusion Chromatography (SEC), Frit-Inlet Asymmetric Flow Field-Flow Fractionation (FIA4F), capillary viscometry and Multi-Angle Light Scattering (MALS). A correlation of the physico-chemical properties was done to understand the behaviour of the P(ATBS) in solution. A related study was done by Pyrolysis coupled to a Gaz Chromatography and a Mass Spectrometer (Py-GC/MS) for the qualitative and quantitative analyses of the P(ATBS). To this day, the P(ATBS) has never been studied by this technique.