Imbibition Flux d’huile ?
4.2 Observations qualitatives du déplacement d’un ganglion en micromodèle
Nous commençons par décrire qualitativement les expériences avant de les analyser plus quantitativement. Lors d’une injection à débits croissants, nous observons trois principaux régimes : pour des débits très faibles, aucun mouvement d’huile n’est détectable ; au-dessus d’un premier débit caractéristique (débit dépiégeant), nous observons une fragmentation progressive du ganglion initial, un déplacement de l’huile fragmentée qui se piège à nouveau dans le micromodèle ; enfin, au-dessus d’un second débit caractéristique (débit de production), l’huile sort progressivement du micromodèle. Ces différents régimes sont illustrés et détaillés ci-après.
4.2.1. Balayage à débit faible
Figure 83 – (images de différences) Observation de l’évolution du ganglion d’huile au cours du temps pour des débits d’injections faibles de la formulation tensioactive. De gauche à
droite, ganglion initial, Q=5µl/min (𝑁𝑐 = 1,9. 10b²) puis Q=10µl/min (𝑁𝑐 = 3,8. 10b²) Pour ces plus faibles débits testés, comme l’illustre la Figure 83, il n’y aucun mouvement du ganglion d’huile initial. Celui-ci reste piégé, les contraintes visqueuses associées à l’augmentation du nombre capillaire ne sont pas suffisantes pour dépiéger l’huile.
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4.2.2. Balayage à débit dépiègeant
Figure 84 – (Images de différences) Balayage à des débits dépiégeants avec la formulation tensioactive.
Figure 85 – (Image brute) Fragmentation du ganglion initial, lors d’une augmentation progressive du débit d’injection de la formulation tensioactive. L’huile et les piliers du
micromodèle sont blancs tandis que l’eau apparait en noir.
La Figure 84 et la Figure 85 illustrent la fragmentation et le déplacement des résidus du ganglion pour des débits plus élevés. Pour le système huile/formulation tensioactive à partir d’un débit de 20µl/min correspondant à un capillaire 𝑁> = 7,5. 10b², on observe une
125 fragmentation du ganglion initial d’huile. Ce dernier se scinde en un ensemble de plus petits ganglions ou de gouttes qui se déplacent légèrement avant d’être piégés à nouveau. La taille de ces petits ganglions est de l’ordre d’une ou de quelques tailles de pore. En augmentant à nouveau le débit, nous observons une poursuite de la fragmentation de l’huile, qui est alors majoritairement sous forme de gouttes de l’ordre de la taille d’un pore. A chaque augmentation de débit, une partie de ces gouttes est mobilisée et se déplace dans le sens de l’écoulement avant d’être piégée à nouveau. Ce n’est pour un débit supérieur à 75µl/min, 𝑁> = 2,8. 10b] que de l’huile commence à être produite.
Le « repiégeage » des petits ganglions et des gouttelettes est illustré sur la Figure 86 et la Figure 87. Malgré des conditions de mouillage partiel (voir partie 5.1.3), ce piégeage ne semble pas associé au mouillage (pour le système huile, formulation tensioactive et surface en NOA avec traitement plasma) : en effet, la forme des gouttes et des interfaces ressemble à celle d’un système non-mouillant et on distingue même autour des gouttes un film d’eau. Le piégeage apparaît en revanche être associé à la géométrie locale du milieu ; les gouttes sont souvent piégées juste en amont d’une constriction située dans le sens de l’écoulement. Ce piégeage est également souvent collectif, comme l’illustre la Figure 87 : lorsqu’une goutte est piégée au niveau d’une construction, elle bloque les gouttes situées juste en amont. Ces observations indiquent donc la présence de sites de piégeage privilégié dans le milieu.
Figure 86 - (Images en fausses couleurs) Illustration du piégeage de ganglions (taille supérieure à la taille de pore). Sur cette série d’images, on effectue une augmentation de débit
en passant de 150 à 200 µl/min.
126 Figure 87 – (haut : images en fausses couleurs, bas : images de différence) Visualisation de sites de piégeage de gouttes. Images successives obtenues avec un débit
passant de 150 à 200 µl/min pour le système huile/tensioactif.
Nous n’avons jamais observé de coalescence des ganglions ou des gouttes d’huile, contrairement aux résultats obtenus par (Yiotis 2013) en simulation Lattice-Boltzmann. Pour les solutions de SDBS, la présence d’un surfactant limite à priori fortement la coalescence. Pour la saumure seule, ce résultat est plus surprenant, mais pourrait être lié aux colorants utilisés, lesquels ont également des propriétés tensio-actives.
Ces observations sont valables pour les deux systèmes étudiés, la taille du ganglion initiale et quel que soit le protocole utilisé. Nous tirons de ces expériences deux conséquences importantes concernant la mobilisation et la mobilité d’une phase huile déconnectée :
- Seuls les ganglions dont la taille est proche de celle du pore se déplacent : les ganglions plus gros sont fragmentés avant d’être déplacés par la phase aqueuse.
- La fragmentation et la mobilisation se produisent pour des nombre capillaires inférieurs à ceux permettant la production d’huile. En effet, nous observons pour cette gamme de nombre capillaire un repiégeage systématique des ganglions et gouttes mobilisés. Ce piégeage semble être associé à la géométrie locale du milieu (constrictions dans le sens de l’écoulement).
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4.2.3 Balayage à un débit de production
En augmentant encore le débit, on observe que certaines gouttes piégées sont mobilisées et sortent du dispositif. Ceci est illustré sur la Figure 88. Pour des 𝑁> supérieurs à 𝑁> = 2,8. 10b] pour le système huile /tensioactif, non seulement le piégeage décrit dans le paragraphe précédent se produit moins fréquemment, mais encore plus nombreuses sont les gouttes mobilisées lors de l’augmentation du débit.
Figure 88 - (images de différences) Balayage avec la formulation tensioactive à des débits croissants par paliers.
Certains sites de piégeage sont relativement robustes, car même pour un nombre capillaire de 𝑁> = 3,0. 10bI, on constate que quelques dizaines de gouttes sont encore bloquées dans le milieu.
En zoomant sur la sortie, on peut obtenir de manière plus quantitative la taille des gouttes produites. D’après la Figure 89, les gouttes d’huile produites ont un diamètre moyen de l’ordre d’une centaine de micron. Ceci confirme donc les mécanismes préalablement identifiés. Un ganglion initial de grande taille se fragmente progressivement en gouttes et en ganglions de petites tailles. Seuls sont produits ceux qui ont un diamètre de l’ordre de grandeur de la taille de pore.
128 Figure 89 – Gauche : (image en fausses couleurs) Image obtenue en sortie pour un débit de 150 µl/min, avec le système huile/tensioactif. Droite : densité de probabilité du diamètre des
gouttes produites. On obtient une moyenne de 100 µm avec un écart-type de .50 µm.