Soutenance mémoire
La thixotropie : définition
Les fluides thixotropes ont une viscosité qui évolue au cours du temps. On dit que le fluide se déstructure lorsqu’il devient liquide, et inversement, qu’il se structure lorsque une phase viscoélastique apparaît. Ces structurations ou déstructurations sont le plus souvent liées à des phénomènes physico-chimiques. Notons qu’il est important de distinguer la thixotropie, phénomène qui correspond à des évolutions de la viscosité au cours du temps, de la rhéofluidification, qui correspond à des évolutions de la viscosité en fonction de la contrainte ou du gradient de vitesse imposés. Dans les domaines industriels comme dans le domaine naturel, la thixotropie apparaît comme étant mal comprise et source de problèmes aussi bien pratiques qu’économiques dans certains cas. Pour n’en citer que quelques uns, une mauvaise évaluation des propriétés d’un fluide de forage pétrolier peut engendrer un surcoût d’exploitation du fait du surdimensionnement des pompes nécessaires au redémarrage du fluide structuré après un temps de repos assez long. De même dans l’industrie cimentaire, la thixotropie est au cœur du développement des bétons autoplaçants qui ont la propriété de pouvoir être mis en place dans des géométries complexes ou encore d’être pompés. Dans les domaines naturels, la thixotropie est importante dans la prédiction des glissements de terrain où les sols argileux gorgés d’eau font apparaître de telles propriétés
Les émulsions
Généralités Une émulsion simple est par définition une dispersion d’un fluide A de densité dA et de viscosité µA dans un fluide B de densité dB et de viscosité µB différentes de dA et de µA, non miscibles. Le mélange de ces deux fluides (l’émulsification) donne un fluide C d’une viscosité µC ayant des propriétés particulières. Dans ce cas la phase dispersée (ou non continue) est le fluide A et la phase continue le fluide B. On peut cependant différencier deux cas, le cas où dA > dB et le cas inverse où dA < dB. Dans le premier cas l’émulsion formée est appelée émulsion directe, c’est par exemple la dispersion de l’huile dans l’eau. Dans le second cas, l’émulsion est appelée inverse ou indirecte ce qui est le cas d’une émulsion d’eau dans l’huile. Toutes les émulsions ne sont pas simples, on peut en trouver de multiples, c’est-à-dire des émulsions d’émulsions. Dans ce cas la phase A est par exemple dispersé dans la phase B, le tout est alors dispersé dans la phase C. Ce procédé trouve toute sa justification dans les émulsions pharmaceutiques. Les émulsions sont par nature des composés instables thermodynamiquement. Elles vont en effet toujours chercher à retrouver leur équilibre qui correspond à l’état séparé des deux phases. On peut cependant former des émulsions stables en contrôlant la surface développée par l’ensemble des gouttes formées. Pour cela plusieurs techniques sont possibles, dans la première, il s’agit de diminuer la taille des éléments (gouttes) de la phase dispersée. Il existe théoriquement un diamètre critique des gouttes pour lequel l’émulsion se stabilise d’ellemême. En dessous de cette barrière énergétique, l’émulsion formée est stabilisée par les forces aux interfaces entre la phase continue et la phase dispersée et par les interactions à courtes et moyennes portées entre les différents éléments. Une deuxième technique est d’utiliser des suspensions solides colloïdales qui permettent de stabiliser l’émulsion en viscosifiant la phase continue et en créant des répulsions stériques particules/gouttelettes si le mouillage des solides par la phase dispersée est contrôlé et quasi nul. Enfin, la dernière technique utilisée pour stabiliser une émulsion est la plus usitée, passe par l’utilisation de tensioactifs.
Mécanismes de stabilisation des émulsions
Une émulsion est fondamentalement un système instable, on peut cependant chercher à réduire les phénomènes déstabilisants. Une première approche pour éviter la coalescence, par exemple, est d’utiliser des polymères à la place de tensioactifs. Ces polymères sont constitués d’un bloc lipophile et d’un bloc hydrophile, comme de grands tensioactifs, et vont permettre une répulsion stérique plus importante et une diminution du transfert de molécule au niveau des interfaces. Une seconde approche consiste à stabiliser l’émulsion en y ajoutant de fines particules solides [106, 56, 57]. Ces dernières s’adsorbent aux interfaces donnant alors un caractère répulsif supplémentaire ayant pour effet de stabiliser l’émulsion. Cependant ces techniques utilisées pour stabiliser les émulsions peuvent si elles sont mal contrôlées engendrer la floculation des gouttes (attachement des chaînes polymères ou des particules chargées) et donc augmenter considérablement la vitesse de sédimentation.
La boue de forage
Dans le cadre d’un forage pétrolier, plusieurs éléments sont à prendre en compte lors du choix de la boue de forage et donc de sa formulation. Il n’existe pas une seule formulation type, mais de nombreuses formulations différentes. En effet, ces dernières vont souvent être fonction du type de formations traversées lors du forage, mais également de la profondeur de celui-ci, du type de forage (onshore ou offshore), du coût, des contraintes environnementales,…etc. La formulation de ces fluides est donc un exercice compliqué. Nous avons vu que le contrôle des propriétés du fluide de forage est primordial, ces paramètres étant directement dépendants des différents constituants du fluide. Ces divers éléments peuvent être de différentes natures selon que la boue est à phase continue eau ou huile. La physico-chimie dans un milieu organique (boue à l’huile) va être d’autant plus complexe que les éléments solides agissant aux interfaces eau/huile (principalement l’argile) doivent être modifiés pour obtenir la fonction recherchée. On retrouve cependant des similitudes comme la présence de minéraux pour modifier la densité de la boue, des argiles pour les propriétés thixotropiques, des polymères pour adapter les propriétés rhéologiques, ou encore, d’autres particules solides pour stabiliser les différents constituants entre eux.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 Etat des connaissances
1.1 La Rhéologie
1.1.1 Généralités
i. Théorie
ii. Rhéologie oscillatoire
1.1.2 Rhéométrie
i. Technique conventionnelle
ii. Nouvelles techniques
1.2 Les fluides thixotropes
1.2.1 La thixotropie : définition
1.2.2 Mesure des effets thixotropes
i. Courbes d’écoulement
ii. Pics de contrainte
iii. Fluages
iv. Mesures en régime solide
1.2.3 Modélisation des phénomènes thixotropes
i. Modèles thixotropes
ii. Modèle thixotrope simple
1.3 Les émulsions
1.3.1 Généralités
1.3.2 Les surfactants
1.3.3 L’émulsification
1.3.4 Mécanisme de séparation des émulsions
i. La coalescence
ii. Sédimentation et crémage
iii. Mûrissement d’Ostwald
1.3.5 Mécanismes de stabilisation des émulsions
1.3.6 Rhéologie des émulsions
1.4 Les argiles
1.4.1 Origines et définition
i. Généralités
ii. Structure
1.4.2 Traitement organophile
1.4.3 Les interactions dans les argiles
1.4.4 Rhéologie des suspensions d’argile
1.5 Les fluides de forage
1.5.1 Généralités
1.5.2 Fonctions
1.5.3 Rhéologie des fluides de forage
1.5.4 Problématique
1.6 Bilan
Chapitre 2 Matériels et protocoles de mesure
2.1 Formulation des matériaux
2.1.1 La boue de forage
2.1.2 Systèmes modèles
i. Choix des matériaux
ii. Formulation
2.2 Rhéométrie conventionnelle
2.2.1 Fann 35
2.2.1 Haake RS 150
i. Description
ii. Protocoles
2.2.2 Bolhin CVOR-200
i. Description
ii. Protocoles
2.3 Rhéométrie par IRM
2.3.1 Principe de la RMN
2.3.2 Séquence de mesure
2.3.3 Le rhéomètre
2.3.4 Protocole
2.4 Mesure de profil de densité par RMN
2.4.1 Technique de mesure de la densité locale
2.4.2 Protocole
2.5 Effets perturbateurs
2.5.1 Glissement aux parois
2.5.2 Sédimentation
2.5.3 Migration
2.5.4 Apparition d’instabilités
Chapitre 3 Matériau réel
3.1 Régime solide
3.1.1 Evolution de la contrainte de démarrage après un temps de repos
3.1.2 Modélisation
i. Contrainte seuil apparente
ii. Détermination expérimentale des paramètres
iii. Validation du modèle
iv. Application : cas du redémarrage du fluide dans une conduite
3.2 Régime liquide
3.2.1 Mesures normalisées
3.2.2 Courbe d’écoulement
3.3 Transition liquide/solide
3.3.1 Rhéométrie conventionnelle
i. Fluages et bifurcation de viscosité
ii. Evolution des rhéogrammes apparents
3.2.2 Vélocimétrie IRM
i. Profils de vitesse et bandes de cisaillement
ii. Rhéogramme local
3.2.3 Interprétation physique
i. Résultats
ii. Caractéristiques détaillées de l’écoulement
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Matériaux modèles
4.1 Rhéologie exploratoire des systèmes modèles
4.1.1 Propriétés rhéologiques des systèmes modèles
4.1.2 Influence de la fraction volumique en phase dispersée
4.1.3 Influence de la concentration en argile
4.1.4 Influence de la concentration en surfactant
4.1.5 Bilan formulation
4.2 Régime solide
4.2.1 Elasticité du matériau
4.2.2 Effet de l’argile
4.2.3 Généralisation et temps caractéristique
4.2.4 Discussion
4.3 Transition liquide/solide
4.3.1 Rhéométrie conventionnelle
4.3.2 Vélocimétrie IRM
i. Mesure de la transition
ii. Comportement critique
iii. Discussion
4.4 Régime liquide
4.4.1 Effet de l’argile
i. Du fluide à seuil simple au fluide à seuil thixotrope
ii. Comportements rhéologiques locaux
4.4.2 Influences de la fraction volumique en phase dispersée
i. Rhéologie locale
ii. Généralisation du comportement
iii. Discussion
4.5 Conclusion
Chapitre 5 Caractérisation des matériaux
5.1 Hétérogénéité du matériau
5.1.1 Mesures de concentrations locales
5.1.2 Cinétique
5.1.3 Influence de l’argile
5.1.4 Effet de la concentration volumique en phase dispersée
5.1.5 Discussion
5.2 Essai de caractérisation structurelle
5.2.1 Formalisme mathématique de l’écoulement sous écrasement
5.2.2 Visualisation de la structure
i. Principe du contraste de phase
ii. Ecrasement entre lame et lamelle
5.2.3 Résultats
i. Protocole avant visualisation
ii. Observation de la structure
iii. Écoulement sous écrasement
5.2.4 Emulsions pures
5.2.5 Discussion
5.3 Conclusion
Chapitre 6 Interprétation structurelle
6.1 Structure
6.2 Fluctuations de vitesse dans le régime transitoire du matériau réel
6.3 Courbes d’écoulement locales en régime permanent des matériaux modèles
6.4 Régime transitoire des matériaux modèles
6.5 Elasticité et structure
6.6 Influence de l’ajout de particules d’argile dans une émulsion pure
6.7 Discussion
6.8 Conclusion
Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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