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Transport de nanoparticules en géométrie confinée

publié le , mis à jour le

Le contrôle des écoulements de fluide dans un milieu poreux peut être critique pour certaines industries. Par exemple, dans les processus de récupération assistée du pétrole, de l’eau est couramment injectée dans la roche afin de forcer l’expulsion de l’huile captive. Après cette étape, il est courant que près de 70% du volume d’huile soit toujours coincé dans la roche. Pour améliorer les rendements d’extraction, des polymères et des particules solides sont injectés avec l’eau : en modifiant les conditions limites aux interfaces pour les polymères ou en obstruant la partie la plus perméable du réseau pour les particules, de l’huile captive peut être remobilisée et poussée hors de la roche par l’écoulement d’eau comme illustré sur la figure ci-dessous.

Toutefois, ce procédé n’est efficace que si une grande partie du puit est effectivement atteinte par les particules ou les polymères : la portée de l’injection des polymères et particules par de l’eau, soit la distance que ces nanoéléments peuvent parcourir avant d’être adsorbés sur les parois, est un paramètre critique. Mieux comprendre ces phénomènes d’injection est crucial en cette période de transition énergétique : en optimisant les rendements d’extraction des puits déjà en activité, on limite à la fois l’empreinte écologique associée à l’injection de polymère ou particules dans le sol et la pression financière sur les nouveaux champs d’hydrocarbure vierges.

Pour répondre à ces objectifs ambitieux, nous proposons de quantifier la portée d’action de nanoparticules injectées dans des microcanaux en tentant de répondre aux questions suivantes : jusqu’à quelle distance des nanoparticules peuvent-elles être transportées avant d’interagir avec les parois ? La nature de l’écoulement (débit, différence de pression imposée ou autre) est-elle importante ? Comment la nature de l’interaction entre particules et parois et la nature de la paroi influent-elles sur cette distance ? Comment la distance de transport est-elle modifiée si des nanoparticules y sont déjà adsorbées ?

Ces problématiques seront abordées expérimentalement dans des géométries simples (uniaxiales, axisymétriques ou en coin) réalisées par des techniques de microfabrication en réalisant des canaux bidimensionnels dans différents matériaux aux propriétés surfaciques et mécaniques variées. Nous nous placerons dans une limite où le rapport entre taille des particules et hauteur des canaux est typiquement de l’ordre de 5 à 10. Le fluide sera injecté – ensemencé de particules – à débit ou à pression imposé. Des écoulements pulsatiles seront également réalisés en particulier pour tester leur aptitude à décoller et déplacer des particules déjà adsorbées. Les résultats obtenus seront analysés dans le cadre de la mécanique des fluides diphasiques en incluant des forces à longue portée afin de modéliser les interactions particules/parois et les effets de tension de surface. Des simulations numériques (Comsol multiphysics) pourront également être envisagées dans un second temps afin de valider certains résultats.

Ce stage (financé) sera réalisé au LiPhy (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique) à Grenoble dépendant de l’université Grenoble Alpes (UGA) et du CNRS en collaboration avec le laboratoire PERL (Pôle d’Études et de Recherche de Lacq) de l’entreprise Total et pourra être prolongé en thèse (financement CIFRE avec TOTAL).

Contacts :

Elise Lorenceau (LIPHY) - Tel : 04 76 51 47 47 - email : elise.lorenceau@univ-grenoble-alpes.fr