La mouillabilité du pétrole : angle de contact et tension de surface….26

La mouillabilité joue un rôle très important dans la migration du pétrole, les procédés de sa récupération et l’estimation des réserves récupérables.

C’est le phénomène d’interactions entre un liquide et une paroi solide en présence d’autres fluides non miscibles. Il influence la rétention des hydrocarbures ainsi que les déplacements des fluides géologiques. Ce paramètre influence les valeurs de d’autres paramètres pétrophysiques telles que la perméabilité et la pression capillaire, donc la saturation en eau ou en huile, et la répartition des fluides au sein des milieux poreux (Raza et al. 1968, Donaldson et thomas 1971).

Ce phénomène joue un autre rôle important dans d’autres applications et d’autres phénomènes, tels que l’application d’une peinture ou d’une encre sur un solide (Wirth et al. 1991) ou encore la pollution des eaux en hydrocarbures ou sur les écoulements diphasique dans les microsystèmes où les effets de tension de surface sont dominants.

La mouillabilité peut être aussi définie comme étant la variation de l’énergie libre de Gibbs due à la mise en contact d’une unité de surface du solide et du liquide, l’étendue de celle-ci avec l’air n’ayant pas varié (Briant et Cuiec 1971). Cette définition n’est appliquée que dans le cas de systèmes idéaux concernant la mouillabilité d’un solide par un liquide (liquides purs et solides homogènes). La définition plus appropriée aux systèmes réels est celle d’Amott (1959) qui décrit la mouillabilité comme la préférence relative d’une surface solide à être couverte par l’un des deux fluides considérés. Plusieurs d’autres définition existent dans la littérature (Craig 1971, Zisman 1964 et Rao 2002).

L’angle de contact est l’angle que forme la goutte de pétrole ou d’eau (de fluide) avec une surface plane d’un ou de deux solides de même nature minéralogique que le réservoir étudié ; c’est un outil sensible pour quantifier la mouillabilité d’un réservoir pétrolier (Morrow 1991) et l’énergie de surface des matériaux en contact avec des liquides.

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Considérons trois phase en équilibre, l’intersection des surfaces est nommée « la line de contact entre les trois phases ». Dans le cas d’une goutte liquide (L) étalée sur une surface plane solide (S) dans une atmosphère gazeuse (G), les directions des tensions de surface 

SL



SG sont alignées sur la tangente au point M à la surface du solide (Figure 11).

Figure 11- Schéma des paramètres de mouillabilité d’une goutte de fluide sur une surface plane. Exprimons l’immobilité de la ligne de raccordement où se rencontrent les trois phases S, L et G par un élément dl de la ligne triple :

Avec γ_SG la tension de surface solide-gaz, γ_SL la tension de surface solide-liquide, γ_LG la tension de surface liquide-gaz.

Cette équation, généralement appelée loi du triangle de Neumann, a bien été vérifiée expérimentalement par Fuchs (1930) et Miller (1941). En projetant l’équation précédente dans le plan du solide, l’équilibre entre les trois phases s’exprime par la condition de Young (1805) :

On dit d’un liquide qu’il est mouillant lorsque l'angle formé par la surface solide avec la tangente de la goutte est inférieur à 90°. En effet, une goutte de liquide posée sur un substrat plan et horizontal peut adopter plusieurs configurations d'équilibre (Figure 12):

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- En cas de mouillabilité partielle, la goutte prend la forme d'une calotte sphérique et l'angle de contact du système a une valeur définie. Les systèmes pour lesquels θ > 90° sont dits non-mouillants, ceux pour lesquels θ < 90° sont dits mouillants.

- En cas de mouillage parfait, le solide est recouvert par un film de liquide et l'angle de contact est alors nul.

Figure 12- Schéma représentatif de goutte de liquide mouillant et non mouillant.

Sur une surface solide, l’angle de contact n’est pas défini de manière univoque, mais il fluctue entre deux valeurs extrêmes notées θ_r et θ_a= θ_r+Δθ, et sont appelées respectivement l’angle de reculée et d’avancée. Généralement plusieurs valeurs de l’angle de contact sont obtenues, dépendant ainsi du volume de la goutte de liquide. Plusieurs raisons expliquant l’existence du phénomène d’hystérésis sont proposées dans la littérature, basées généralement sur la rugosité des surfaces et/ou leur hétérogénéité chimique (Adamson et Gast 1997, Rao 2002). Le phénomène d’hystérésis est dû d’après Gray (1965) aux fluctuations de la tension superficielle de solide le long de la ligne de contact solide-liquide et la rugosité d’une surface ne peut pas expliquer l’hystérésis.

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Le phénomène d’hystérésis apparaît clairement lorsqu’une goutte est posée sur un plan incliné: elle est un peu plus ventrue à l’avant qu’à l’arrière, et peut ne pas bouger si l’angle à l’avant est plus petit que θ_a et celui à l’arrière plus grand que θ_r. L’hystérésis de l’angle de contact Δθ engendre donc une force capable de s’opposer au déplacement des gouttes, Dussan et Chow (1983, 1985, 1987) (Figure 13).

Figure 13- Schéma représentatif d’un phénomène d’hystérésis.

I.1.2.3. Les réservoirs carbonatés et la dolomitisation :

Il est estimé que plus de 60% des réserves d’huile et plus de 40% de réserves de gaz au monde se trouvent dans des réservoirs carbonatés. Ces réservoirs montrent une haute variation des propriétés pétrophysiques et des mécanismes d’écoulement de fluides au sein de petites sections dolomitiques du réservoir carbonaté, ce qui les rend difficile à caractériser. Des approches précises sont nécessaires pour comprendre l’hétérogénéité de la nature de la roche contenant les fluides et les propriétés d’écoulement dans ces formations poreuses et/ou fracturées. L’interaction roche/fluide est aussi importante à définir, et pour comprendre tout ça, il est nécessaire de connaître les paramètres : la distribution des tailles des pores, le volume des pores, la perméabilité, la pression capillaire, la texture de la roche, type du réservoir, et el système de fracturation naturel à différentes échelles.

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La dolomitisation :

C’est un phénomène dans lequel la calcite et l’aragonite peuvent être remplacés par la dolomite, composée de magnésium pour former de la dolomie ou la dolomitisation partielle des calcaires, il s’agit d’un composé de carbonate, de Calcium et de Magnésium.

La métasomatose est une dolomitisation qui se fait sous condition de températures et de pressions plus ou moins élevées.

Depuis quelques années les réservoirs pétroliers non-conventionnels prennent une grande place dans l’approvisionnement mondial, cependant ces hydrocarbures sont très difficile à extraire à cause de la faible perméabilité de le roche encaissante ou à leur nature visqueuse. Il n’existe pas une définition stricte de cette notion d’hydrocarbures non-conventionnels.