Dégradation mécanique de solutions de polymères et ses impacts en récupération assistée d'hydrocarbures

Mechanical degradation of polymers solutions and their impact on enhanced oil recovery

• Auteur / Autrice : Adeline Dupas
• Direction : Thierry Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur. Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2012
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine) - Laboratoire d'ingénierie des matériaux de Bretagne
• Jury : Président / Présidente : Michel Moan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Aubry, Michel Moan, Lionel Choplin, Dominique Hourdet, Ahmed Allal, Edith Peuvrel-Disdier, Jean-François Argillier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Choplin, Dominique Hourdet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrole -- Récupération secondaire

Polymères -- Détérioration

Mots clés libres

Dégradation mécanique

Solutions de polymères diluées et semi-diluées

Écoulements inertiel et laminaire

Injectivité

Récupération assistée des hydrocarbures (RAH)

Mechanical degradation

Dilute and semi-dilute polymer solutions

Inertial and laminar flows

Injectivity

Enhanced Oil Recovery (EOR)

Résumé

Le polymer flooding est une des techniques de récupération assistée des hydrocarbures (RAH) ; elle consiste à injecter une solution de polymères de forte masse moléculaire afin de déplacer plus efficacement le pétrole emprisonné dans la roche. Cependant, une limite importante de cette technique est la possible dégradation mécanique des polymères au cours de l'injection et dans le réservoir, due à une scission des chaînes macromoléculaires induite par l’écoulement. Ce travail de thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes et scénarios de scission, mais aussi leur impact sur le procédé de polymer flooding. Nous nous sommes intéressés au seuil de dégradation mécanique de solutions de poly(oxyde d’éthylène) et de de polyacrylamide partiellement hydrolysé, pour différents régimes de concentration (solutions diluées et semi-diluées) en régime laminaire et inertiel, et pour des solvants de différentes qualités. L’étude de la dégradation mécanique des solutions et de leur impact sur les propriétés rhéologiques a été menée à l’aide de différents dispositifs de dégradation et de différents rhéomètres, dont un dispositif microfluidique en élongation ; ces techniques de mesure ont été combinées à des mesures de distribution de masses moléculaires par chromatographie d’exclusion stérique couplée à la diffusion de lumière. L’étude montre en premier lieu qu’une composante élongationnelle est indispensable pour dégrader les chaînes macromoléculaires en solution. Les résultats mettent aussi clairement en évidence que les mécanismes de dégradation sont très différents en régime dilué et semi-dilué. En régime dilué, la dégradation mécanique des solutions de polymères est indépendante du régime d’écoulement et affecte préférentiellement les macromolécules de fortes masses, avec une scission en milieu de chaîne. En revanche, en régime semi-dilué, la dégradation mécanique dépend du régime de l’écoulement : en écoulement laminaire, la dégradation est gouvernée par le réseau d’enchevêtrements et la scission des chaînes est aléatoire, tandis qu’en régime inertiel, les chaînes se dégradent comme en régime dilué, avec le même scénario de scission en milieu de chaîne. Par ailleurs, les résultats montrent que les propriétés rhéologiques en élongation peuvent être très fortement impactées par la dégradation mécanique. Enfin, les résultats de l’étude préliminaire des propriétés d’injectivité dans un milieu poreux d’une solution de polymère semi-diluée faiblement dégradée montrent que la dégradation mécanique améliore l’injectivité du polymère aux abords du puits.

Polymer flooding is a technique used in enhanced oil recovery; it consists in injecting high molecular weight polymer solutions in order improve oil sweep efficiency in the reservoir. However, polymer flooding is challenged by possible mechanical degradation of polymer solutions during injection and in the reservoir, due to the flow induced scission of macromolecules. This work aims at better understanding the scission mechanisms and scenarios, but also their impact on polymer flooding. We investigated the onset of mechanical degradation of poly(ethylene oxide) and partially hydrolysed polyacrylamide solutions, for different concentration regimes (dilute and semi-dilute regimes), under laminar or inertial conditions, but also under good or bad solvent conditions. The study of mechanical degradation of polymer solutions and their impact on the rheological properties was performed using different degradation devices and different rheometers, including a microfluidic extensional device; these investigation techniques were combined with measurements of the molecular weight distributions using size exclusion chromatography coupled with light scattering experiments. The study first shows that an extensional component is needed to get a mechanical degradation of polymer chains. The results also clearly show that the degradation mechanisms are very different in dilute and semi-dilute regime. In dilute regime, the mechanical degradation of polymer solutions does not dependent on flow regime and mainly affects the macromolecules with high molecular weights, with a mid-chain scission scenario. On the other hand, in semi-dilute regime, mechanical degradation depends on flow regime: in laminar flows, degradation is governed by the entanglement network and chain scission is random, whereas in inertial flows, chain degradation is similar to that observed in dilute regime, with the same mid-chain scission scenario. Besides, the results show that the extensional rheological properties can be very strongly affected by mechanical degradation. At last, the results of a preliminary study of the injectivity of a slightly degraded semi-dilute polymer solution in porous media show that mechanical degradation improves polymer injectivity near the wellbore.