Formulation et caractérisation des fluides de travail  

La première tâche de la partie expérimentale a consisté à trouver des fluides de travail avec des caractéristiques particulières dans la gamme de gradients de vitesse comprise entre 0,1 s-1 et 1000 s-1. En effet, les gradients de vitesse au niveau de l’opération de polymer flooding sont classiquement considérés comme compris entre 0,1 s-1 et 100 s-1, bien que pouvant atteindre les 1000 s-1 au niveau de l’injection. Les caractéristiques recherchées pour expérimentalement l’effet de la viscoélasticité sur des écoulements sans changer significativement la viscosité du système. Parmi d’autres caractéristiques – non indispensables mais certainement appréciables –, nous pouvons citer les suivantes : Les fluides de Boger [63-66] sont des fluides viscoélastiques qui a priori présentent les qualités primaires nécessaires, c’est-à-dire une zone de gradients de vitesse où la viscosité est quasi-constante (comme pour un fluide newtonien) et simultanément – dans la même gamme de gradients de vitesse – des effets élastiques, révélés par l’apparition de valeurs significatives de la première différence de contraintes normales. Un fluide de Boger est généralement composé d’un polymère de haute masse moléculaire dissout dans un solvant peu visqueux. Un troisième composant est de plus incorporé, composant dont le rôle est d’augmenter la viscosité du système. Le résultat est donc un fluide viscoélastique aqueux ou organique (selon la nature du solvant) apparemment newtonien, car sa viscosité est stabilisée grâce à l’effet du composant viscosifiant, et aussi élastique du fait des longues chaines de polymère de haute masse moléculaire qui sont à l’origine des différences de contraintes normales non nulles.

Pour mieux comprendre ces fluides, prenons en considération certains systèmes présentés dans le Tableau 1. Une première série de systèmes comprend entre 150 et 1000 ppm de HPAM et de Separan (polyacrylamide non ionique) qui, une fois dissous dans l’eau, sont viscosifiés avec du glycérol, du maltose ou du sirop de blé et de maïs : [63;65]. Les solutions aqueuses de ces deux polyacrylamides ont un fort caractère rhéofluidifiant avec des viscosités toujours plus élevées pour les solutions hydrolysées que pour les non ioniques. Au niveau « élastique », toutes les solutions de polyacrylamide développent une première différence de contrainte normale non nulle. Dès que le composant viscosifiant est ajouté (un polyol dans le cas du glycérol et des sucres dans les autres cas), la viscosité a tendance à se stabiliser sans que le caractère élastique, dérivé de la réorganisation chaînes de polymère lorsqu’un gradient de vitesse est appliqué, soit affectée. L’appellation « fluide de Boger » provient en fait de la combinaison « Separan, eau, sirop de mais » [64;69;70] qui a attiré l’attention par cette particularité « newtonienne-élastique ».

Une deuxième série de systèmes est composée de polyisobutène et de polystyrène de haute et de moyenne masse moléculaire dissouts dans un solvant organique comme le kérosène ou le tétradécane avec des composants viscosifiants très variés parmi lesquels nous pouvons trouver le polymère mais avec une masse moléculaire faible [67;68;72-75]. Une dernière série de systèmes, moins présente dans la littérature que la précédente, est composée du polyoxyde d’éthylène dissout dans de l’eau ; en matière de composant viscosifiant, apparaît le polyéthylène glycol [76] ; selon la composition et la masse moléculaire de polyoxyde d’éthylène, nous trouvons aussi des systèmes « sans viscosifiant » [71]. Chacun de ces trois systèmes génériques présente des intérêts potentiels ; cependant, aucun des systèmes cités ne réunit l’ensemble des caractéristiques spécifiques désirées pour notre travail. Deux critères préliminaires ont été établis pour accepter ou écarter les formulations avant de passer à une caractérisation rigoureuse. le « polymer flooding » [11;14;16;17;41;49;77]. D’un autre côté, nous avons établi un niveau de contrainte normale arbitraire en fonction de la détection des contraintes normales par notre appareil et en essayant d’assurer un niveau d’élasticité minimal dans une gamme de gradient de vitesse raisonnables – nous ne voulons pas de formulations où le caractère élastique est mis en évidence vers un gradient de vitesse très élevé.