Transport de fluides dans les nanopores : des modèles moléculaires aux modèles continus

Fluid transport in nanopores : from molecular to continuous models

• Auteur / Autrice : Pauline Simonnin
• Direction : Benjamin Rotenberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique et Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 27/09/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Destandau-Léonard, Benoît Nœtinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Galliéro, Laurent Joly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Écoulement diphasique

Matériaux poreux

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Hydrodynamique continue

Nanopore

Transport

Écoulement diphasique

Two-phase flow

Continuous hydrodynamics

Nanopore

Résumé

La récupération d'hydrocarbures non conventionnels fait partie des enjeux énergétiques majeurs. Ils ne peuvent être extraits par simple forage car la roche qui les contient, constituée essentiellement de nanopores, présente une très faible perméabilité. A l'échelle macroscopique, c'est-à-dire à l'échelle du bassin, les écoulements de fluides sont décrits par la loi de Darcy qui relie le flux à la perméabilité, au gradient de pression et à la viscosité. La perméabilité d'un matériau peut être mesurée expérimentalement ou théoriquement par homogénéisation à partir de l’hydrodynamique continue. Cependant, lorsque la taille des pores devient comparable à celle des molécules de fluide, une telle description n'est pas satisfaisante. D’une part l’hydrodynamique continue, où la nature du fluide n’intervient qu’à travers la viscosité, ne suffit pas forcément pour décrire l’écoulement. D’autre part les interactions au niveau moléculaire entre le fluide et le solide jouent un rôle important. Cette thèse porte sur le transport de fluides à l'échelle moléculaire et revisite la description traditionnelle qui sert de point de départ pour des écoulements à l'échelle macroscopique, en particulier dans le cas des écoulements multiphasiques. Par des simulations de dynamique moléculaire classique, nous avons étudié l'écoulement de systèmes monophasiques et diphasiques, précisant l’influence de la nature des surfaces, ainsi que de la nature et de la concentration des espèces dissoutes. Nous avons également apporté une contribution méthodologique originale pour le calcul des coefficients de diffusion d'espèces.

Unconventional hydrocarbons recovery is one of the major energy challenges. They cannot be extracted by simple drilling because the rock which contains them, consisting essentially of nanopores, has a very low permeability. On the macroscopic scale of the geological basin, the flows of fluids are described by Darcy's law which connects the flux to the permeability, the pressure gradient and the viscosity. The permeability of a material can be measured experimentally or determined theoretically by homogenization from continuous hydrodynamics. However, when the pore size becomes comparable to that of the fluid molecules, such a description is unsatisfactory. On the one hand continuous hydrodynamics, where the nature of the fluid only enters via the viscosity, is not necessarily sufficient to describe the flow. On the other hand, the interactions at the molecular level between the fluid and the solid play an important role. This thesis deals with the transport of fluids on a molecular scale and revisits the traditional description which serves as a starting point for macroscopic flows, in particular in the case of multiphase flows. Using classical molecular dynamics simulations, we study the flow of one- and two-phase systems, specifying the influence of the nature of the surfaces, as well as the nature and concentration of the dissolved species. We also develop an original methodological contribution to the calculation of the diffusion coefficients of confined species, specifying the effects of the system finite size.