Écoulements biphasiques en poreux en présence de polymères

Polymères et récupération d’huile : effet visqueux ou élastique ?

Des solutions aqueuses de polymères sont utilisées dans les procédés de récupération améliorée du pétrole depuis les années 1960 [68, 69]. L’étude de ces procédés en laboratoire et à l’échelle du gisement [70, 71], a permis d’identifier des critères pour sélectionner les réservoirs où la mise en œuvre de ces procédés est possible [72, 73, 74]. On privilégie ainsi les réservoirs ayant une forte saturation en huile de mobilité élevée et présentant une hétérogénéité modérée.

Il est communément accepté que l’effet du polymère est seulement d’améliorer le rap- port de mobilité entre l’huile et l’eau, via une diminution de l’écart de viscosité entre les deux phases [12, 13]. Cet effet permet en particulier de stabiliser les formes de front d’avan- cement [75], en réduisant les digitations visqueuses observables lorsqu’un fluide moins vis- queux pousse un fluide plus visqueux. Ainsi, la solution de polymères permet de balayer une zone plus importante du réservoir, sans réduire la saturation résiduelle en huile. En effet, à l’échelle du pore, les forces capillaires qui sont prépondérantes, empêchent l’huile de s’écouler : l’augmentation du gradient de pression local après viscosification par le polymère est insuffisante pour surmonter les forces capillaires qui piègent l’huile [14].

Pourtant, ces dernières années, un certain nombre d’essais experimentaux, sur des carottes ou en plein champ, ont mis en évidence une amélioration de la récupération lors de l’utilisation de solutions de polymères [76]. En particulier, l’utilisation de polymères en récupération tertiaire à grande échelle sur le gisement de Daqing depuis 1996 a conduit l’équipe de Wang à étudier l’impact de solutions de HPAM sur la récupération à différentes échelles. Ils ont tout d’abord montré dans des carottes, que l’injection de solution de HPAM permet d’obtenir une récupération additionnelle de 5 à 8 % par rapport à l’injection d’une solution aqueuse [15]. De plus des essais récents en plein champ ont permis d’atteindre des récupérations additionnelles de l’ordre de 20% [77]. Ces observations expérimentales indiquent que le polymère induit une diminution de la saturation résiduelle en huile ce qui suggère une amélioration de la mobilisation de l’huile à l’échelle microscopique, attribuée aux propriétés viscoélastiques des polymères injectés.

Des études systématiques ont confirmé ces premiers résultats expérimentaux, notam- ment dans des carottes en condition de mouillage mixte [78, 79]. L’injection de solutions de HPAM de concentration croissante, permet d’atteindre des saturations résiduelles en huile de plus en plus faibles. Par ailleurs, des essais semblables réalisés avec des solutions de glycérol de concentrations voisines de celles des solutions de HPAM, sont caractérisés par des saturations résiduelles en huile jusqu’à 50% plus élevées. C’est donc bien l’aug- mentation d’élasticité qui permet d’améliorer la récupération. Enfin, d’autres observations expérimentales montrent qu’un fluide rhéofluidifiant comme le Xanthan ne permet pas d’atteindre de telle niveau de récupération : l’élasticité du HPAM est caractérisée alors par la première différence de contraintes normales [80].

1.1. Écoulements en milieux poreux 33

On observe différents types d’huile résiduelle dans les réservoirs après injection d’eau en récupération secondaire, en fonction de la géométrie des pores et des conditions de mouillage [76] :

– huile piégée dans les liens entre les pores, en particulier dans les réservoirs fortement mouillables à l’eau

– huile inaccessible à cause des anfractuosités de la roche, ou coincée dans des pores sans issue (dead end pore), pour des réservoirs en mouillage huile ou hétérogène – film d’huile recouvrant les parois dans les réservoirs fortement mouillables à l’huile – gouttes d’huiles immobilisées dans le réservoir

Les expériences réalisées par les équipes de Daqing, en micromodèles ont mis en évi- dence un effet des polymères injectés sur la mobilisation de ces différents type d’huile résiduelle [15, 80]. Deux mécanismes principaux d’action ont été décrits pour expliquer l’efficacité microscopique du polymère : le développement de forces visqueuses parallèles à l’interface eau/huile [81], et la stabilisation de colonnes d’huile (oil thread) [82]. De telles colonnes d’huile peuvent se développer quand on injecte de l’eau dans un réservoir, en particulier dans des réservoirs mouillables à l’eau. L’huile, fluide non mouillant, circule au centre des canaux à travers une série de pores connectés, sous la forme d’un cylindre entouré par un anneau d’eau. Quand la saturation en eau du réservoir augmente, le dia- mètre de cette colonne d’huile diminue et elle se brise en gouttes immobilisées dans les canaux. Huh et Pope [76] ont analysé la stabilité linéraire de telles colonnes entourées de solutions aqueuses de polymères et montré que l’élasticité des polymères permet de retarder la brisure de la colonne, réduisant ainsi la saturation résiduelle en huile dans les réservoirs.

Concernant la mobilisation de l’huile dans des pores sans issue, Yin et al. [83] ont proposé une simulation numérique d’un écoulement viscoélastique en utilisant un modèle de Maxwell convecté supérieur, modifié pour rendre compte de l’élasticité et du caractère rhéofluidifiant des solutions de HPAM. L’effet majoritaire dû à la présence du fluide vis- coélastique est d’élargir les lignes de courant dans le pore sans issue et par conséquent d’augmenter la zone du pore atteinte par l’écoulement, ce qui favorise la mobilisation de l’huile piégée dans ce pore.

Enfin un concept de forces locales (micro-forces) a été développé pour préciser les mécanismes d’action des polymères à l’échelle microscopique [16, 84] et rendre compte des observations expérimentales sur la mobilisation de l’huile résiduelle en micromodèles. Les propriétés élastiques du polymère modifient la structure locale de l’écoulement par rapport au cas newtonien (injection d’eau) : dans les pores, le profil de vitesse pour une solution de polymères est de type bouchon, alors qu’il est parabolique pour un fluide newtonien. De plus, l’huile résiduelle fixée sur les parois du réservoir sous forme de blob est déformée par le cisaillement. Cette déformation affecte localement l’écoulement du fluide injecté, dans lequel se développent des forces locales non isotropes pour un fluide capable de développer des contraintes normales comme le HPAM. Ces forces locales induisent le détachement de l’huile sous la forme de gouttes ensuite entraînées dans l’écoulement.

Tous ces travaux suggèrent que les propriétés viscoélastiques des solutions de HPAM contribuent à améliorer la mobilisation de l’huile à l’échelle microscopique. Cependant, ils n’établissent pas de distinction claire entre les effets visqueux, élongationnels et élastiques qui peuvent avoir une influence sur le déplacement de l’huile.

Par ailleurs, des outils de simulation numérique permettent d’étudier les écoulements biphasiques mettant en jeu une phase non newtonienne dans des géométries élémentaires, afin de préciser les effets microscopiques mis en évidence par les travaux expérimentaux présentés ci-dessus. Afsharpoor et al. [36] ont ainsi étudié l’écoulement autour d’une goutte

d’huile immobile, coincée en amont d’une constriction : lorsque le fluide externe est visco- élastique ils ont observé une augmentation du gradient de pression de part et d’autre de la goutte, ainsi qu’une augmentation des forces totales qui s’appliquent sur la goutte, en raison des contraintes normales développées dans le fluide. Ce phénomène pourrait contri- buer à mettre en mouvement la goutte et expliquer la réduction de la saturation résiduelle en huile observée expérimentalement.

Hormis ces travaux liés à l’exploitation du gisement de Daqing, on ne trouve que peu d’études systématiques en micromodèles mettant en jeu des fluides modèles ou réels, per- mettant de distinguer les contributions des effets visqueux et élastiques sur l’amélioration de la récupération par les solutions de polymères. Les études se sont d’abord concentrées sur l’évaluation de l’impact de la mouillabilité : d’une part, sur l’efficacité des polymères utilisés en récupération assistée en terme de récupération [85, 86] et d’autre part, sur l’adsorption de ces polymères [87, 88, 89]. Le polymère est ainsi plus efficace dans des réservoirs mouillant à l’eau. En outre, dans des micromodèles en verre dont ils peuvent contrôler la mouillabilité, Meybodi et al. [90] ont procédé à des injections de polymères sur des huiles conventionnelles. Ils ont observé une grande richesse de configurations pour les deux phases à l’échelle du pore, et décrit plusieurs mécanismes microscopiques en présence de polymères. Les paramètres dominants dans la sélection des mécanismes et des formes d’interfaces sont la mouillabilité et la morphologie du milieu poreux (nombre de coordina- tion et forme des pores). Enfin, d’autres travaux s’intéressent à l’applicabilité de l’injection de polymères pour la récupération améliorée des huiles lourdes ou extra-lourdes [91, 92].