FR3098911A1 - Device and method for determining a value of interfacial tension between two fluids - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un tensiomètre amélioré pour obtenir une mesure de tension interfaciale à l’équilibre, pour les tensioactifs caractérisés par une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface dite lente, au moyen d’un organe d’écoulement intermédiaire (B). L’effet technique recherché est l’amélioration de la précision de l’observation de la tension interfaciale et plus précisément la possibilité de mesurer la tension interfaciale à l’équilibre entre deux fluides dont au moins l’un contient une molécule amphiphile dite à cinétique de diffusion et/ou d’adsorption lente. Figure 5 à publierThe present invention relates to an improved tensiometer for obtaining a measurement of interfacial tension at equilibrium, for surfactants characterized by a kinetics of diffusion and adsorption at the so-called slow interface, by means of an intermediate flow member ( B). The desired technical effect is the improvement of the precision of the observation of the interfacial tension and more precisely the possibility of measuring the interfacial tension at equilibrium between two fluids, at least one of which contains a so-called kinetic amphiphilic molecule. slow diffusion and / or adsorption. Figure 5 to publish
Description
La présente invention concerne un procédé de détermination de la tension interfaciale entre deux fluides et un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.The present invention relates to a method for determining the interfacial tension between two fluids and a device for implementing this method.
Lorsque deux fluides non miscibles sont mis en contact l'un avec l'autre, il est nécessaire d'apporter de l'énergie pour augmenter leur surface de contact. Cette énergie par unité de surface est nommée tension interfaciale. Si c’est deux fluides sont mis en écoulement concentrique à l’échelle microfluidique et à bas Reynolds, une compétition entre l’énergie interfaciale et l’énergie visqueuse apparaît. L’énergie interfaciale est réduite en minimisant le rapport surface sur volume et tend à former des sphères. A contrario, l’énergie visqueuse tend à former un jet. Ainsi, lorsque l’énergie visqueuse est faible, le fluide intérieur formera des gouttes dans le fluide extérieur et lorsque l’énergie visqueuse est élevée, le fluide intérieur formera un jet concentrique au sein du fluide extérieur. La formation des gouttes est due à des instabilités absolues et la formation du jet à des instabilités convectées. Grâce à un modèle basé sur ces instabilités, il est possible de calculer la tension interfaciale entre un régime de gouttes et un régime de jet. La connaissance de cette valeur de tension interfaciale est d'une grande importance, dans de nombreux secteurs technologiques. On citera ainsi, à titre non limitatif, les procédés chimiques, l'impression par jet d'encre, l'atomisation par pulvérisation, les procédés d'émulsification, les procédés de récupérations assistés des hydrocarbures (EOR de l’anglais enhanced oil recovery).When two immiscible fluids are brought into contact with each other, it is necessary to supply energy to increase their contact surface. This energy per unit area is called interfacial tension. If two fluids are put in concentric flow at the microfluidic scale and at low Reynolds, a competition between the interfacial energy and the viscous energy appears. The interfacial energy is reduced by minimizing the surface to volume ratio and tends to form spheres. Conversely, viscous energy tends to form a jet. Thus, when the viscous energy is low, the inner fluid will form drops within the outer fluid and when the viscous energy is high, the inner fluid will form a concentric jet within the outer fluid. The formation of drops is due to absolute instabilities and the formation of the jet to convected instabilities. Thanks to a model based on these instabilities, it is possible to calculate the interfacial tension between a drop regime and a jet regime. Knowledge of this interfacial tension value is of great importance in many technological sectors. Mention will thus be made, without limitation, of chemical processes, inkjet printing, spray atomization, emulsification processes, assisted hydrocarbon recovery processes (EOR for English enhanced oil recovery ).
On connaît déjà, dans l'état de la technique, plusieurs procédés permettant de déterminer la valeur de cette tension interfaciale. Une première solution, dite méthode de la goutte pesée, consiste à recueillir un nombre déterminé de gouttes dans un récipient, à partir d'un capillaire. Par pesage du récipient, on déduit alors le poids moyen de chaque goutte, et on calcule ensuite la tension interfaciale, à partir de la valeur de ce poids, ainsi que du rayon du capillaire utilisé. Une solution alternative, dite de la goutte tournante, consiste à verser une goutte dans un récipient, puis à la faire tourner sous l'effet de la force centrifuge. A partir de différents paramètres, tels que notamment la forme adoptée par la goutte lors de sa mise en rotation, on déduit la valeur de la tension interfaciale. Ces solutions connues présentent cependant certains inconvénients. Ainsi, elles se révèlent souvent fastidieuses à mettre en œuvre. De plus, chaque méthode de détermination est limitée à une gamme de mesures relativement étroite, une gamme de température faible et une mesure à la pression atmosphérique.Several methods are already known in the state of the art for determining the value of this interfacial tension. A first solution, called the weighed drop method, consists of collecting a determined number of drops in a container, from a capillary. By weighing the container, the average weight of each drop is then deduced, and the interfacial tension is then calculated, from the value of this weight, as well as from the radius of the capillary used. An alternative solution, called the rotating drop, consists of pouring a drop into a container, then rotating it under the effect of centrifugal force. From various parameters, such as in particular the shape adopted by the drop during its rotation, the value of the interfacial tension is deduced. However, these known solutions have certain drawbacks. Thus, they are often tedious to implement. In addition, each determination method is limited to a relatively narrow measurement range, a low temperature range and measurement at atmospheric pressure.
La réalisation de la mesure de tension interfaciale à l’équilibre pour les couples de fluides dont le temps de diffusion et d’adsorption du tensioactif est supérieur au temps dit microfluidique, qui est définit comme étant égal au rayon du jet divisé par la vitesse du fluide, est particulièrement difficile à mettre en œuvre. Ces couples de fluides étant nombreux, il est indispensable de procéder à une amélioration du système.The realization of the interfacial tension measurement at equilibrium for the pairs of fluids whose diffusion and adsorption time of the surfactant is greater than the so-called microfluidic time, which is defined as being equal to the radius of the jet divided by the speed of the fluid, is particularly difficult to implement. These couples of fluids being numerous, it is essential to carry out an improvement of the system.
Dans le cadre de la récupération assistée par voie chimique tensioactive, les formulations tensioactives injectées doivent être optimisées afin d’obtenir une interface avec l’huile présentant une tension interfaciale ultra-basse dans les conditions de pression et de température du réservoir,ie.inférieure à 10-2mN/m. L’optimisation de ces formulations est classiquement effectuée à l’aide de la méthode empirique de Huh. Cette méthode repose sur la mise en contact de la formulation à tester avec l’huile dans un tube, cf. figure1. Cette figure représente un scan de salinité d’une formulation contenant du Sodium Dodécylbenzenesulfonate (SDBS), de l’isobutanol et différentes concentrations de chlorure de sodium. Cette formulation est mise au contact de décane. Les tubes illustrés au centre (avec un rectangle gris) mettent en évidence les formulations conduisant à une microémulsion de type Winsor III, qui est un exemple de système recherché pour les applications EOR. Pour ce type de formulation, la tension interfaciale dépend fortement de la salinité ; en effet, à basse salinité et à haute salinité, des systèmes de type Winsor I, respectivement Winsor II sont obtenus et ces systèmes biphasiques présentent une tension interfaciale supérieure à 10-2mN/m; le système recherché est, par conséquent, le système de salinité intermédiaire, de type Winsor III, caractérisé par l’apparition d’une troisième phase intermédiaire et présentant une tension interfaciale ultra-basse,ie.inférieure à 10-2mN/m. Ainsi, il est nécessaire de préparer de nombreux tubes afin de balayer une large gamme de salinité avec un pas de l’ordre de quelques grammes par litre pour déterminer la salinité optimale correspondant à la tension interfaciale minimale. Après leur préparation, les tubes doivent être laissés au repos afin que chaque système puisse atteindre son équilibre thermodynamique. Cela peut prendre quelques jours à quelques semaines. La figure 1 illustre schématiquement un scan de salinité d’une formulation contenant du SDBS, de l’isobutanol et différentes concentrations de chlorure de sodium, après repos dans des tubes. Sur cette figure, l’eau est illustrée en blanc, et la phase huile est illustrée en noir. Cette formulation est mise au contact de décane. Les tubes illustrés au centre (avec un rectangle gris) mettent en évidence les formulations conduisant à une microémulsion de type Winsor III, qui est un exemple de système recherché pour les applications EOR.In the context of surfactant chemical assisted recovery, the surfactant formulations injected must be optimized in order to obtain an interface with the oil having an ultra-low interfacial tension under the pressure and temperature conditions of the reservoir, ie. less than 10 -2 mN/m. The optimization of these formulations is classically carried out using Huh's empirical method. This method is based on bringing the formulation to be tested into contact with the oil in a tube, cf. figure 1. This figure represents a salinity scan of a formulation containing Sodium Dodecylbenzenesulfonate (SDBS), isobutanol and different concentrations of sodium chloride. This formulation is brought into contact with decane. The tubes shown in the center (with a gray rectangle) highlight formulations leading to a Winsor III type microemulsion, which is an example of a sought-after system for EOR applications. For this type of formulation, the interfacial tension strongly depends on the salinity; in fact, at low salinity and at high salinity, systems of Winsor I type, respectively Winsor II are obtained and these biphasic systems have an interfacial tension greater than 10 -2 mN/m; the desired system is therefore the intermediate salinity system, of the Winsor III type, characterized by the appearance of a third intermediate phase and exhibiting an ultra-low interfacial tension, ie. less than 10 -2 mN/m. Thus, it is necessary to prepare many tubes in order to scan a wide range of salinity with a step of the order of a few grams per liter to determine the optimum salinity corresponding to the minimum interfacial tension. After their preparation, the tubes must be left to stand so that each system can reach its thermodynamic equilibrium. It may take a few days to a few weeks. Figure 1 schematically illustrates a salinity scan of a formulation containing SDBS, isobutanol and different concentrations of sodium chloride, after standing in tubes. In this figure, the water is shown in white, and the oil phase is shown in black. This formulation is brought into contact with decane. The tubes shown in the center (with a gray rectangle) highlight formulations leading to a Winsor III type microemulsion, which is an example of a sought-after system for EOR applications.
Au vu des temps de préparation et d’équilibration, des coûts générés par les volumes mis en jeu et la difficulté de travailler sous pression, un tensiomètre microfluidique, nommé GammaDrop, a été développé, cf document « Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition ». Ce tensiomètre, basé sur les travaux décrits dans les documents FR2980576 et US2011/0197664A1, permet de réaliser des expérimentations haut-débit à des pressions et des températures élevées à l’aide de faibles volumes. Ainsi, les coûts sont réduits et l’optimisation d’une formulation est réalisée en une journée. Néanmoins, ce dernier présente un inconvénient majeur : les mesures de tension interfaciale à l’équilibre sont uniquement obtenues pour les systèmes contenant des tensioactifs dits à cinétique rapide,ie.ayant une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface plus rapide que le temps que met l’interface à parcourir une distance égale au rayon du jet produit par le tensiomètre. Or, dans de nombreuses industries telles que les industries pétrolières ou encore agroalimentaires ou cosmétiques, les tensioactifs utilisés sont caractérisés par une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface dite lente. Afin de résoudre cet inconvénient majeur, il est indispensable de laisser le temps aux tensioactifs de diffuser et de s’adsorber sur l’interface avant d’effectuer la mesure.In view of the preparation and equilibration times, the costs generated by the volumes involved and the difficulty of working under pressure, a microfluidic tensiometer, named GammaDrop, has been developed, see document "Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition ". This tensiometer, based on the work described in the documents FR2980576 and US2011/0197664A1, makes it possible to carry out high-throughput experiments at high pressures and temperatures using small volumes. Thus, the costs are reduced and the optimization of a formulation is carried out in one day. Nevertheless, the latter has a major drawback: measurements of interfacial tension at equilibrium are only obtained for systems containing so-called fast-kinetic surfactants, ie. having diffusion and adsorption kinetics at the interface faster than the time it takes for the interface to travel a distance equal to the radius of the jet produced by the tensiometer. However, in many industries such as the petroleum or even agri-food or cosmetics industries, the surfactants used are characterized by diffusion and adsorption kinetics at the so-called slow interface. In order to resolve this major drawback, it is essential to allow time for the surfactants to diffuse and be adsorbed on the interface before carrying out the measurement.
Un objectif général visé par l’invention est de fournir une amélioration du tensiomètre décrit dans ces documents, pour obtenir une mesure de tension interfaciale à l’équilibre, pour les tensioactifs caractérisés par une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface dite lente. En d’autres termes, l’effet technique recherché est l’amélioration de la précision de l’observation de la tension interfaciale et plus précisément la possibilité de mesurer la tension interfaciale à l’équilibre entre deux fluides dont au moins l’un contient une molécule amphiphile dite à cinétique de diffusion et/ou d’adsorption lente.A general objective targeted by the invention is to provide an improvement of the tensiometer described in these documents, to obtain a measurement of interfacial tension at equilibrium, for surfactants characterized by diffusion and adsorption kinetics at the so-called interface. slow. In other words, the technical effect sought is the improvement of the precision of the observation of the interfacial tension and more precisely the possibility of measuring the interfacial tension at equilibrium between two fluids of which at least one contains an amphiphilic molecule said to have diffusion and/or slow adsorption kinetics.
Le dispositif et le procédé de l’invention visent à remédier à ces différents inconvénients. En particulier, l’invention vise à proposer un dispositif et un procédé permettant de déterminer, de manière fiable et simple, la valeur de tension interfaciale entre deux fluides, même dans le cas de l’utilisation d’un tensioactif caractérisé par une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface dite lente. Elle vise en outre à proposer un tel procédé, qui puisse être mis en œuvre pour une vaste gamme de tensions interfaciales, de manière automatisée et avec une précision accrue et ce, à des températures et des pressions pouvant aller jusqu’à 150 °C et respectivement 150 bar. Plus particulièrement, cette invention vise à modifier la géométrie actuelle du tensiomètre Gammadrop afin de créer un film de fluide intérieur sur la face externe du capillaire intérieur. Le fluide extérieur s’écoulant autour de ce film, une zone de pré-équilibrage est créée en amont ou sensiblement à l’endroit de la buse de sortie du capillaire intérieur.The device and the method of the invention aim to remedy these various drawbacks. In particular, the invention aims to propose a device and a method making it possible to determine, in a reliable and simple manner, the value of interfacial tension between two fluids, even in the case of the use of a surfactant characterized by a kinetics of diffusion and adsorption at the so-called slow interface. It also aims to provide such a method, which can be implemented for a wide range of interfacial tensions, in an automated manner and with increased precision, at temperatures and pressures that can go up to 150 ° C and respectively 150 bar. More particularly, this invention aims to modify the current geometry of the Gammadrop tensiometer in order to create an internal fluid film on the external face of the internal capillary. The outer fluid flowing around this film, a pre-equilibration zone is created upstream or substantially at the location of the outlet nozzle of the inner capillary.
La présente invention concerne un dispositif pour déterminer une valeur de tension interfaciale entre deux fluides comprenant :The present invention relates to a device for determining an interfacial tension value between two fluids comprising:
- un organe d'écoulement intérieur et un organe d'écoulement extérieur, de préférence coaxiaux, l'organe d'écoulement intérieur débouchant dans le volume interne de l'organe d'écoulement extérieur ;
- un organe d’écoulement intermédiaire,
- des moyens d'alimentation en au moins deux fluides dans les trois organes d'écoulement ;
- des moyens de variation du débit d'au moins un des fluides ; et
- des moyens d'observation de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur
caractérisé en ce que l’organe d'écoulement intermédiaire débouche dans le volume interne de l’organe d’écoulement extérieur, l’organe d'écoulement intermédiaire étant configuré pour créer un film d’écoulement de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur.- an inner flow member and an outer flow member, preferably coaxial, the inner flow member opening into the internal volume of the outer flow member;
- an intermediate flow member,
- Means for supplying at least two fluids to the three flow members;
- Means for varying the flow rate of at least one of the fluids; And
- means for observing the nature of the flow downstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member
characterized in that the intermediate flow member opens into the internal volume of the outer flow member, the intermediate flow member being configured to create a fluid flow film in contact with the periphery and the along the inner flow member.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d’alimentation alimentent l’organe d’écoulement intermédiaire et l’organe d’écoulement intérieur avec le même fluide.According to one embodiment, said supply means supply the intermediate flow member and the inner flow member with the same fluid.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement intermédiaire est coaxial à l'organe d'écoulement intérieur.According to one embodiment, the intermediate flow member is coaxial with the inner flow member.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement intermédiaire débouche dans une zone en amont ou sensiblement à l’endroit du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur.According to one embodiment, the intermediate flow member opens into a zone upstream or substantially at the location of the opening of the inner flow member into the outer flow member.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement extérieur est un tube à base de silice fondue revêtue de polyimide ou puce microfluidique Pyrex® silicium ou Pyrex® ou silice fondue.According to one embodiment, the external flow member is a tube based on fused silica coated with polyimide or microfluidic chip Pyrex® silicon or Pyrex® or fused silica.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement intérieur est un tube en en inox, verre, silice fondue, Pyrex®, céramique, quartz, saphir ou polymère résistant aux conditions de pression, température et chimique.According to one embodiment, the inner flow member is a tube made of stainless steel, glass, fused silica, Pyrex®, ceramic, quartz, sapphire or polymer resistant to pressure, temperature and chemical conditions.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de contrôle de la température et de la pression d'au moins un des fluides.According to one embodiment, the device comprises means for controlling the temperature and the pressure of at least one of the fluids.
Selon un mode de réalisation, les moyens de contrôle de la température et de la pression d'au moins un des fluides sont conçus pour porter au moins l'espace interne de l'organe d'écoulement extérieur dans des conditions de température et de pression supercritiques pour au moins une des fluides ou dans des conditions identiques au procédé expérimental visé.According to one embodiment, the means for controlling the temperature and the pressure of at least one of the fluids are designed to bring at least the internal space of the external flow member under temperature and pressure conditions supercritical for at least one of the fluids or under conditions identical to the experimental process in question.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'observation de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur comprend au moins un capteur optique, au moins une photodiode et barrière laser, de préférence une caméra, de manière préférée une caméra CCD.According to one embodiment, the means for observing the nature of the flow downstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member comprises at least one optical sensor, at least one photodiode and laser barrier, preferably a camera, preferably a CCD camera.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'alimentation en deux fluides comprennent au moins un pousse-seringue, préférablement un pousse-seringue pour chaque fluide.According to one embodiment, the means for supplying two fluids comprise at least one syringe pump, preferably one syringe pump for each fluid.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'alimentation en deux fluides sont conçus pour appliquer des débits entre 2 µL/h et 336 mL/h, préférablement entre 2 µL/h et 8 mL/h.According to one embodiment, the means for supplying two fluids are designed to apply flow rates between 2 μL/h and 336 mL/h, preferably between 2 μL/h and 8 mL/h.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement intérieur a un rayon interne allant de 50 à 200 µm, préférablement de 100 à 180 µm et une longueur de 1 à 80 cm, préférablement de 5 à 20 cm.According to one embodiment, the internal flow member has an internal radius ranging from 50 to 200 μm, preferably from 100 to 180 μm and a length from 1 to 80 cm, preferably from 5 to 20 cm.
Selon un mode de réalisation, l’organe d'écoulement intérieur, l’organe d'écoulement extérieur, les moyens d'alimentation en fluides, les moyens de variation du débit d'au moins un des fluides et les moyens d'observation de la nature de l'écoulement sont conçus pour permettre l’écoulement des fluides ayant une viscosité comprise entre 1 cP et 1000 cP et préférablement de 1 à 300 cP.According to one embodiment, the inner flow member, the outer flow member, the means for supplying fluids, the means for varying the flow rate of at least one of the fluids and the means for observing the nature of the flow are designed to allow the flow of fluids having a viscosity between 1 cP and 1000 cP and preferably from 1 to 300 cP.
Selon un mode de réalisation, les moyens de variation du débit d'au moins un des fluides comprennent un PC de commande contenant un logiciel d’analyse d’images ou d’un signal électrique relié auxdits moyens d’observation.According to one embodiment, the means for varying the flow rate of at least one of the fluids comprise a control PC containing software for analyzing images or an electrical signal connected to said observation means.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens d'alimentation supplémentaires d’un fluide destiné à être mélangé au fluide extérieur ou au fluide intérieur, préférablement sous forme de pousse-seringues.According to one embodiment, the device comprises additional means for supplying a fluid intended to be mixed with the external fluid or with the internal fluid, preferably in the form of syringe pumps.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un mélangeur microfluidique, situé entre les moyens d'alimentation et les organes d’écoulement.According to one embodiment, the device comprises a microfluidic mixer, located between the supply means and the flow members.
En outre, l’invention concerne un procédé de détermination d'au moins une valeur de tension interfaciale entre deux fluides, mettant en œuvre le dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
- on fait s'écouler un premier fluide, dit fluide intérieur, dans l’organe d'écoulement intérieur, ainsi qu'un second fluide, dit fluide extérieur, dans l’organe d'écoulement extérieur, ainsi qu'un troisième fluide, dit fluide intermédiaire, dans l’organe d'écoulement intermédiaire;
- on se place tout d'abord dans des conditions telles que, en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur, il se forme,
. i) soit des gouttes du fluide intérieur dans une phase porteuse formée par le fluide extérieur,
. ii) soit un jet continu du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;
- on fait varier le débit d'au moins un des deux fluides ;
- on identifie un couple de valeurs de débit de fluide, dit de transition, à partir duquel
. i) soit il se forme désormais un jet continu du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;
. ii) soit il se forme désormais des gouttes du fluide intérieur dans le fluide extérieur ; et
- on en déduit ladite valeur de tension interfaciale entre ces deux fluides.Furthermore, the invention relates to a method for determining at least one interfacial tension value between two fluids, implementing the device according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
- a first fluid, called inner fluid, is caused to flow into the inner flow member, as well as a second fluid, called outer fluid, into the outer flow member, as well as a third fluid, said intermediate fluid, in the intermediate flow member;
- we place ourselves first of all in conditions such that, downstream of the outlet of the inner flow member in the outer flow member, it forms,
. i) either drops of the interior fluid in a carrier phase formed by the exterior fluid,
. ii) either a continuous jet of the inner fluid into the outer fluid;
- The flow rate of at least one of the two fluids is varied;
- a pair of fluid flow rate values, called transition values, from which
. i) either a continuous jet of the interior fluid is now formed in the exterior fluid;
. ii) either drops of the interior fluid now form in the exterior fluid; And
- Said interfacial tension value between these two fluids is deduced therefrom.
Selon un mode de réalisation, les fluides sont mis en contact durant un temps suffisant pour que la diffusion, l’absorption et le réarrangement des molécules amphiphiles et/ou des particules aient lieu et que l’interface ait atteint son équilibre avant la mesure, le temps de contact pouvant atteindre préférablement 500 secondes.According to one embodiment, the fluids are brought into contact for a time sufficient for the diffusion, absorption and rearrangement of the amphiphilic molecules and/or particles to take place and for the interface to have reached its equilibrium before the measurement, the contact time preferably being able to reach 500 seconds.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.Other characteristics and advantages of the method according to the invention will appear on reading the following description of non-limiting examples of embodiments, with reference to the appended figures and described below.
Liste des figuresList of Figures
La figure 1 illustre la mise en contact de la formulation à tester avec l’huile dans un tube selon l’art antérieur.Figure 1 illustrates the contacting of the formulation to be tested with the oil in a tube according to the prior art.
La figure 2 illustre la mise en œuvre du tensiomètre Gammadrop.Figure 2 illustrates the implementation of the Gammadrop tensiometer.
La figure 3 illustre différents types d’écoulement en fonction de la variation des débits des fluides.Figure 3 illustrates different types of flow depending on the variation in fluid flow rates.
La figure 4 illustre l’évolution de la courbe de transition entre un régime de jet et un régime de gouttes en fonction de la tension interfaciale γ.Figure 4 illustrates the evolution of the transition curve between a jet regime and a drop regime as a function of the interfacial tension γ.
La figure 5 illustre le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon un mode de réalisation.Figure 5 illustrates the detail of an implementation of the invention according to one embodiment.
La figure 6 illustre les liaisons fluidiques reliant les moyens d’alimentation et les organes d’écoulement.Figure 6 illustrates the fluidic connections connecting the supply means and the flow members.
L’objectif de cette invention est de perfectionner le tensiomètre pour déterminer une tension interfaciale à l’équilibre entre deux fluides dont au moins l’un des deux contient une molécule amphiphile ayant une cinétique de diffusion et/ou d’adsorption aux interfaces lentes. Par lente, nous entendons un temps de diffusion et/ou d’adsorption (le « et » prenant également en compte la somme de temps de diffusion et d’adsorption) supérieur au temps auquel la mesure est effectuée.The objective of this invention is to improve the tensiometer for determining an interfacial tension at equilibrium between two fluids, at least one of which contains an amphiphilic molecule having diffusion and/or adsorption kinetics at slow interfaces. By slow, we mean a diffusion and/or adsorption time (the “and” also taking into account the sum of diffusion and adsorption time) greater than the time at which the measurement is made.
Le dispositif selon l’invention comprend un organe d'écoulement intérieur, un organe d’écoulement intermédiaire et un organe d'écoulement extérieur. Ces organes d’écoulement, également identifiés sous la dénomination de « capillaires » dans l’art de la technique, sont de préférence coaxiaux. De plus ils sont disposés de manière à ce que l'organe d'écoulement intérieur débouche dans le volume interne de l'organe d'écoulement extérieur.The device according to the invention comprises an inner flow member, an intermediate flow member and an outer flow member. These flow members, also identified under the name of "capillaries" in the art of the technique, are preferably coaxial. In addition, they are arranged so that the inner flow member opens into the internal volume of the outer flow member.
Selon l’invention, le dispositif comporte des moyens d'alimentation en au moins deux fluides dans les trois organes d'écoulement. Les moyens d’alimentation en deux fluides permettent de réaliser les écoulements dans les organes d’écoulement intérieur, intermédiaire et extérieur. De préférence, les deux fluides, appelés liquide intérieur et liquide extérieur, peuvent être des liquides non miscibles ou dont la cinétique de solubilisation est suffisamment lente pour permettre la mesure, par exemple de l’eau et de l’huile. De manière avantageuse, l’une des deux fluides peut comprendre un tensioactif.According to the invention, the device comprises means for supplying at least two fluids to the three flow members. The means for supplying two fluids make it possible to produce the flows in the inner, intermediate and outer flow members. Preferably, the two fluids, called inner liquid and outer liquid, can be immiscible liquids or whose solubilization kinetics are slow enough to allow measurement, for example water and oil. Advantageously, one of the two fluids can comprise a surfactant.
Afin de modifier les conditions opératoires au sein des organes d’écoulement intérieur et extérieur le dispositif comporte des moyens de variation du débit d'au moins un des fluides. Les moyens de variation du débit sont liés d’une part au moyens d’alimentation et d’autre part aux organes d’écoulement intérieur, intermédiaire et extérieur.In order to modify the operating conditions within the internal and external flow members, the device comprises means for varying the flow rate of at least one of the fluids. The flow variation means are linked on the one hand to the supply means and on the other hand to the internal, intermediate and external flow members.
En outre, le dispositif selon l’invention comporte des moyens d'observation de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. Ainsi, il est possible d’analyser la nature de l’écoulement (jet ou gouttes) en sortie de l’organe d’écoulement intérieur, dans le but d’en déduire la tension interfaciale.In addition, the device according to the invention comprises means for observing the nature of the flow downstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member. Thus, it is possible to analyze the nature of the flow (jet or drops) at the outlet of the inner flow member, in order to deduce the interfacial tension.
Selon l’invention, l’organe d'écoulement intermédiaire débouche dans le volume interne de l’organe d’écoulement extérieur, dans une zone en amont ou sensiblement à l’endroit du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. De plus, l’organe d'écoulement intermédiaire est configuré pour créer un film d’écoulement de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur. En d’autres termes, le fluide s’écoulant dans l’organe d’écoulement intermédiaire traverse l’organe d’écoulement intermédiaire, et entre dans l’organe d’écoulement extérieur dans une zone où s’écoule le fluide extérieur. Le fluide intermédiaire se positionne alors autour de l’organe d’écoulement intérieur, en raison du positionnement respectif des organes d’écoulement et en raison de la tension interfaciale entre les fluides.According to the invention, the intermediate flow member opens into the internal volume of the outer flow member, in a zone upstream or substantially at the location of the outlet of the inner flow member in the external flow organ. Additionally, the intermediate flow member is configured to create a film of fluid flow in contact with the periphery and along the inner flow member. In other words, the fluid flowing in the intermediate flow member passes through the intermediate flow member, and enters the outer flow member in an area where the outer fluid flows. The intermediate fluid then positions itself around the inner flow organ, due to the respective positioning of the flow organs and due to the interfacial tension between the fluids.
La création du film d’écoulement de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur permet de créer un contact progressif entre les deux fluides en amont ou sensiblement à l’endroit de la buse du capillaire intérieur afin de laisser le temps aux tensioactifs et autres molécules amphiphiles de diffuser et de s’adsorber à l’interface avant d’arriver au niveau de la buse du capillaire intérieur. Ce dispositif a pour avantage de permettre la mise en contact entre les deux fluides de manière progressive en créant une couche à l’interface des deux fluides dès l’extrémité de l’organe d’écoulement extérieur et ce, jusqu’à l’extrémité de l’organe d’écoulement intérieur. L’effet technique recherché est l’amélioration de la précision de l’observation de la tension interfaciale et plus précisément la possibilité de mesurer la tension interfaciale à l’équilibre, même dans le cas de l’utilisation d’un tensioactif caractérisé par une cinétique de diffusion et d’adsorption à l’interface dite lente.The creation of the fluid flow film in contact with the periphery and along the interior flow member makes it possible to create a progressive contact between the two fluids upstream or substantially at the location of the nozzle of the interior capillary in order to to allow time for the surfactants and other amphiphilic molecules to diffuse and be adsorbed at the interface before arriving at the level of the nozzle of the interior capillary. This device has the advantage of allowing contact between the two fluids in a progressive manner by creating a layer at the interface of the two fluids from the end of the external flow member until the end of the inner flow member. The technical effect sought is the improvement of the precision of the observation of the interfacial tension and more precisely the possibility of measuring the interfacial tension at equilibrium, even in the case of the use of a surfactant characterized by a diffusion and adsorption kinetics at the so-called slow interface.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les fluides s’écoulant dans l’organe d'écoulement intermédiaire et dans l’organe d'écoulement intérieur peuvent être identiques. De cette manière, la mesure interfaciale entre les deux fluides est favorisée.According to one embodiment of the invention, the fluids flowing in the intermediate flow member and in the inner flow member can be identical. In this way, the interfacial measurement between the two fluids is favored.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’organe d'écoulement intermédiaire peut être coaxial à l'organe d'écoulement intérieur.According to one embodiment of the invention, the intermediate flow member can be coaxial with the inner flow member.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’organe d'écoulement intermédiaire peut déboucher dans une zone en amont ou sensiblement à l’endroit de l’introduction du fluide dans l’espace interne de l'organe d'écoulement extérieur.According to one embodiment of the invention, the intermediate flow member can open out into a zone upstream or substantially at the location of the introduction of the fluid into the internal space of the outer flow member.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le capillaire intérieur peut être en inox ou tout autre matériel permettant l’écoulement du fluide et adapté aux circonstances des modes de réalisation de l’invention, par exemple verre, silice fondue, Pyrex®, céramique, polymère résistant aux conditions de pression, température et chimique ou quartz ou saphir. Le mouillage du fluide intérieur sur le capillaire intérieur peut être assuré au moyen du choix judicieux du matériau utilisé ou au moyen d’un traitement de surface additionnel.According to one embodiment of the invention, the inner capillary can be made of stainless steel or any other material allowing the flow of the fluid and adapted to the circumstances of the embodiments of the invention, for example glass, fused silica, Pyrex®, ceramic, polymer resistant to pressure, temperature and chemical conditions or quartz or sapphire. The wetting of the interior fluid on the interior capillary can be ensured by means of the judicious choice of the material used or by means of an additional surface treatment.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le capillaire extérieur peut être en silice fondue revêtue de polyimide ou tout autre matériel permettant l’écoulement du fluide et adapté aux circonstances des modes de réalisation de l’invention, par exemple Pyrex® silicium ou Pyrex® ou silice fondue. En effet, la nature du matériau de ce capillaire doit permettre la mise en œuvre de l’observation de l’écoulement plus particulièrement à l’endroit de la mise en contact des deux fluides et la tenue aux pression et température de travail. S’il souhaite employer des matériaux du type Pyrex® silicium, l’homme du métier peut utiliser toute méthode souhaitable pour leur mise en œuvre, par exemple : graver un demi tube extérieur dans une plaque en silicium et l’autre demi tube dans une plaque en Pyrex®. En collant les deux plaques ensemble, on obtient le tube extérieur au sein de la puce microfluidique. On peut alors insérer le tubing intérieur au milieu du canal qui aura été gravé.According to one embodiment of the invention, the outer capillary can be made of fused silica coated with polyimide or any other material allowing the flow of the fluid and adapted to the circumstances of the embodiments of the invention, for example Pyrex® silicon or Pyrex® or fused silica. Indeed, the nature of the material of this capillary must allow the implementation of the observation of the flow more particularly at the place of the contacting of the two fluids and the resistance to the pressure and temperature of work. If he wishes to use materials of the Pyrex® silicon type, the person skilled in the art can use any desirable method for their implementation, for example: etching an outer half-tube in a silicon plate and the other half-tube in a Pyrex® plate. By gluing the two plates together, we obtain the outer tube within the microfluidic chip. You can then insert the inner tubing in the middle of the channel that will have been engraved.
Ces organes d’écoulement (identifiés également comme capillaires) sont alimentés chacun avec un fluide par les moyens d'alimentation. Selon un mode de réalisation de l’invention, ces moyens d’alimentation peuvent comprendre une ou plusieurs pousse-seringues ou tout autre dispositif d’alimentation en fluide tel que des sources de pression couplés à des débitmètres. Selon une variante de l’invention, un pousse-seringue est relié à chaque capillaire. Naturellement, les moyens d’alimentation sont reliés aux organes d’écoulement avec des conduites adaptées à la circulation des fluides.These flow organs (also identified as capillaries) are each supplied with a fluid by the supply means. According to one embodiment of the invention, these supply means may comprise one or more syringe pumps or any other fluid supply device such as pressure sources coupled to flowmeters. According to a variant of the invention, a syringe pump is connected to each capillary. Naturally, the supply means are connected to the flow members with pipes adapted to the circulation of fluids.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les moyens d'alimentation en deux fluides peuvent être conçus pour appliquer des débits entre 2 µL/h et 336 mL/h, préférablement entre 2 µL/h et 8 mL/h. Ces débits permettent des mesures de tension interfaciales pour les fluides et tensioactifs mis en œuvre dans le domaine de l’EOR et également pour des gammes de tensions interfaciales comprises entre 10-3mN/m et 50 mN/m et des viscosités entre 1 et 300 mPa.s. Avantageusement, le dispositif peut être optimisé afin de concevoir l’organe d'écoulement intérieur, l’organe d'écoulement extérieur, les moyens d'alimentation en deux fluides, les moyens de variation du débit d'au moins un des fluides et les moyens d'observation de la nature de l'écoulement pour permettre l’écoulement des fluides ayant une viscosité comprise entre 1 cP et 300 cP et préférablement de 1 à 10 cP.According to one embodiment of the invention, the means for supplying two fluids can be designed to apply flow rates between 2 μL/h and 336 mL/h, preferably between 2 μL/h and 8 mL/h. These flow rates allow interfacial tension measurements for fluids and surfactants used in the field of EOR and also for interfacial tension ranges between 10 -3 mN/m and 50 mN/m and viscosities between 1 and 300 mPa.s. Advantageously, the device can be optimized in order to design the inner flow member, the outer flow member, the means for supplying two fluids, the means for varying the flow rate of at least one of the fluids and the means for observing the nature of the flow to allow the flow of fluids having a viscosity between 1 cP and 300 cP and preferably from 1 to 10 cP.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’organe d'écoulement intérieur peut avoir un rayon interne allant de 50 à 200 µm, préférablement de 100 à 180 µm et une longueur de 1 à 80 cm, préférablement de 5 à 20 cm. Selon une variante, le rapport entre le diamètre de l'organe d'écoulement extérieur et le diamètre de l'organe d'écoulement intérieur peut être compris entre 1,2 et 10, de préférence entre 1,5 et 5.According to one embodiment of the invention, the internal flow member can have an internal radius ranging from 50 to 200 μm, preferably from 100 to 180 μm and a length from 1 to 80 cm, preferably from 5 to 20 cm. . According to a variant, the ratio between the diameter of the outer flow member and the diameter of the inner flow member can be between 1.2 and 10, preferably between 1.5 and 5.
La tension interfaciale est déduite de l’observation de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. Les moyens d'observation peuvent permettent de renseigner sur le comportement de l’écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut identifier l'existence de gouttes ou l'existence d'un jet, en plaçant un émetteur laser et une photodiode de part et d'autre de l'organe d'écoulement extérieur, en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur. Avantageusement, on peut utiliser au moins un capteur optique, au moins une photodiode et une barrière laser, de préférence une caméra, de manière préférée une caméra CCD, éventuellement montée sur un microscope ou un objectif.The interfacial tension is inferred from observing the nature of the flow downstream of the outlet of the inner flow member into the outer flow member. The means of observation can make it possible to provide information on the behavior of the flow downstream of the outlet of the internal flow member into the external flow member. According to one embodiment of the invention, the existence of drops or the existence of a jet can be identified by placing a laser emitter and a photodiode on either side of the external flow member, downstream of the outlet of the inner flow member. Advantageously, it is possible to use at least one optical sensor, at least one photodiode and a laser barrier, preferably a camera, preferably a CCD camera, optionally mounted on a microscope or an objective.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comprend également des moyens de contrôle de la température et de la pression d'au moins un des fluides. De préférence, le dispositif peut permettre de travailler de la température ambiante à 150 °C et de la pression atmosphérique à 150 bar. Avantageusement, on prépare les différents couples de fluide en modifiant au moins une condition d'au moins un fluide, en particulier la concentration en tensioactifs, co-tensioactifs, hydrotrope, choatrope ou sel, le pH et/ou la température et/ou la pression.According to one embodiment of the invention, the device also comprises means for controlling the temperature and the pressure of at least one of the fluids. Preferably, the device can make it possible to work from ambient temperature to 150° C. and from atmospheric pressure to 150 bar. Advantageously, the different fluid pairs are prepared by modifying at least one condition of at least one fluid, in particular the concentration of surfactants, co-surfactants, hydrotrope, choatrope or salt, the pH and/or the temperature and/or the pressure.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comporter des moyens de contrôle de température et de la pression. Les moyens de contrôle de la température et de la pression d'au moins un des fluides sont conçus pour porter au moins l'espace interne de l'organe d'écoulement extérieur dans des conditions de température et de pression équivalentes aux conditions industrielles recherchées, cela peut également permettre d’atteindre l’état supercritique pour au moins un des fluides.According to one embodiment of the invention, the device may include temperature and pressure control means. The means for controlling the temperature and the pressure of at least one of the fluids are designed to bring at least the internal space of the external flow member under temperature and pressure conditions equivalent to the desired industrial conditions, this can also make it possible to reach the supercritical state for at least one of the fluids.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comporter des moyens informatiques, notamment un PC de commande. Par exemple, les moyens informatiques peuvent être connectés à des moyens de variation du débit d'au moins un liquide, les moyens informatiques peuvent être également liés aux moyens d’observation. Dans ce cas, les moyens informatiques peuvent contenir un logiciel d’analyse d’images ou d’un signal électrique relié auxdits moyens d’observation. Les moyens informatiques peuvent également permettre de piloter et contrôler la pression et la température auxquelles sont réalisées la mesure.According to one embodiment of the invention, the device may comprise computer means, in particular a control PC. For example, the computer means can be connected to means for varying the flow rate of at least one liquid, the computer means can also be linked to the observation means. In this case, the computer means may contain software for analyzing images or an electrical signal connected to said means of observation. The computer means can also make it possible to control and control the pressure and the temperature at which the measurement is carried out.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comporter en outre des moyens d'alimentation supplémentaires d’un fluide destiné à être mélangé au fluide extérieur ou au fluide intérieur, préférablement sous forme de pousse-seringues. On peut ainsi préparer les différents couples de fluide en ajoutant au moins une substance à au moins un fluide, cette substance étant notamment une molécule amphiphile et/ou un sel et/ou un polymère et/ou une particule solide. De manière avantageuse, ce mode de réalisation comprend également un mélangeur microfluidique situé entre les moyens d'alimentation et les organes d’écoulement, pour effectuer une dilution en amont des capillaires imbriqués afin de mesurer la tension interfaciale en fonction de la concentration d’une espèce en EHD (Expérimentation Haut Débit). Dans ce mode de réalisation, pour une application EOR, on peut ajouter un tensioactif et/ou co-tensioactif et/ou un sel et/ou un polymère à au moins un des deux fluides. Ainsi, on peut réaliser des transitions jet-gouttes à différents débits de fluide extérieur, puis déterminer plusieurs valeurs de tension interfaciale entre ces deux mêmes fluides, en fonction du temps de contact entre les fluides avant la mesure, puis réaliser une courbe représentant la variation de cette valeur de tension interfaciale en fonction de ce temps afin d’identifier la tension interfaciale à l’équilibre et la cinétique de diffusion, d’adsorption et de réarrangement des molécules amphiphiles présentes. Dans le cadre des applications EOR, le temps de contact entre le fluide est choisi suffisamment élevé grâce à l’objet de cette invention afin de réaliser uniquement des mesures de tension interfaciale à l’équilibre.According to one embodiment of the invention, the device may also comprise additional means for supplying a fluid intended to be mixed with the external fluid or with the internal fluid, preferably in the form of syringe pumps. It is thus possible to prepare the different fluid pairs by adding at least one substance to at least one fluid, this substance being in particular an amphiphilic molecule and/or a salt and/or a polymer and/or a solid particle. Advantageously, this embodiment also comprises a microfluidic mixer located between the supply means and the flow members, to perform a dilution upstream of the nested capillaries in order to measure the interfacial tension as a function of the concentration of a species in EHD (Broadband Experimentation). In this embodiment, for an EOR application, a surfactant and/or co-surfactant and/or a salt and/or a polymer can be added to at least one of the two fluids. Thus, it is possible to perform jet-drop transitions at different flow rates of external fluid, then to determine several values of interfacial tension between these two same fluids, as a function of the contact time between the fluids before the measurement, then to produce a curve representing the variation of this value of interfacial tension as a function of this time in order to identify the interfacial tension at equilibrium and the kinetics of diffusion, adsorption and rearrangement of the amphiphilic molecules present. In the context of EOR applications, the contact time between the fluid is chosen sufficiently high thanks to the object of this invention in order to only carry out measurements of interfacial tension at equilibrium.
Selon un mode de réalisation de l’invention, des inserts peuvent être rajoutés ponctuellement dans le capillaire extérieur afin de garantir le centrage du capillaire intérieur, notamment dans la zone de mesure. Ces inserts peuvent avoir une forme tubulaire, cylindrique, plate ou toute autre forme permettant d’assurer le positionnement des organes d'écoulement intérieur, intermédiaire et extérieur l’un par rapport à l’autre. Plus particulièrement on peut envisager cette construction entre l’organe d'écoulement intérieur et l’organe d'écoulement extérieur.According to one embodiment of the invention, inserts can be added occasionally in the outer capillary in order to guarantee the centering of the inner capillary, in particular in the measurement zone. These inserts can have a tubular, cylindrical, flat shape or any other shape making it possible to ensure the positioning of the internal, intermediate and external flow members with respect to each other. More particularly, this construction can be envisaged between the inner flow member and the outer flow member.
Pour résumer, cette invention vise à modifier la géométrie du tensiomètre gammadrop afin de créer un film de fluide intérieur sur la face externe du capillaire intérieur. Le fluide extérieur s’écoulant autour de ce film, une zone de pré-équilibrage est créée en amont ou sensiblement à l’endroit de la buse de sortie du capillaire intérieur.To summarize, this invention aims to modify the geometry of the gammadrop tensiometer in order to create an internal fluid film on the external face of the internal capillary. The outer fluid flowing around this film, a pre-equilibration zone is created upstream or substantially at the location of the outlet nozzle of the inner capillary.
Pour chaque débit du fluide dans l’organe d’écoulement extérieur, le débit Qie du fluide dans l’organe d’écoulement intermédiaire formant le film autour du capillaire intérieur est sélectionné de manière à être le plus faible possible tout en permettant la formation du film. Ainsi, le temps laissé aux tensioactifs pour diffuser et s’adsorber à l’interface fluide intérieur/fluide extérieur est maximisé, ie. le temps d’équilibrage est maximisé. La longueur du capillaire intérieur est choisie de manière à laisser le temps nécessaire aux tensioactifs pour s’adsorber à l’interface.For each flow rate of the fluid in the outer flow member, the flow rate Qie of the fluid in the intermediate flow member forming the film around the inner capillary is selected so as to be as low as possible while allowing the formation of the movie. Thus, the time allowed for surfactants to diffuse and adsorb at the inner fluid/outer fluid interface is maximized, ie. equilibration time is maximized. The length of the inner capillary is chosen in such a way as to allow the necessary time for the surfactants to adsorb at the interface.
De préférence, le procédé de détermination d'au moins une valeur de tension interfaciale selon l’invention entre deux fluides met en œuvre le dispositif selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites ci-dessus.Preferably, the method for determining at least one interfacial tension value according to the invention between two fluids implements the device according to any one of the variants or combinations of variants described above.
La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un dispositif de détermination d'au moins une valeur de tension interfaciale selon l’art antérieur. Le pousse-seringue 1 permet d’injecter le fluide intérieur dans la capillaire intérieur et le pousse-seringue 2 permet d’injecter le fluide extérieur dans le capillaire extérieur. Le capillaire intérieur étant plus court que le capillaire extérieur, le fluide intérieur rentre au contact du fluide extérieur dans le capillaire extérieur. Macroscopiquement, différents types d’écoulement sont observés à la sortie du capillaire intérieur en fonction des débits des fluides intérieur et extérieur avec des moyens d’observations. Le dispositif comporte des moyens d’observation, qui comprennent ici un système CCD 7 ou un système comportant une photodiode et barrière laser 8. De plus, le dispositif comporte des moyens informatique PC 9 qui peuvent commander les pousse-seringue et les moyens d’observation.Figure 2 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, a device for determining at least one interfacial tension value according to the prior art. Syringe pump 1 injects the inner fluid into the inner capillary and syringe pump 2 injects the outer fluid into the outer capillary. The inner capillary being shorter than the outer capillary, the inner fluid comes into contact with the outer fluid in the outer capillary. Macroscopically, different types of flow are observed at the outlet of the inner capillary depending on the flow rates of the inner and outer fluids with observation means. The device comprises observation means, which here comprise a CCD system 7 or a system comprising a photodiode and laser barrier 8. In addition, the device comprises computer means PC 9 which can control the syringe pumps and the means of observation.
La figure 3 illustre des images obtenues par les moyens d’observations pour le dispositif et le procédé selon l’invention. A bas débits des fluides intérieur et extérieur, des gouttes de fluides intérieur dans le fluide extérieur sont formées. A débit extérieur fixé, en augmentant le débit intérieur, des écoulements de type plugs, jet oscillant puis jet plat sont progressivement observés. A débit extérieur élevé maintenu constant, l’augmentation progressive du débit intérieur conduit à une transition entre un régime de jetting et de jet plat. Le jetting correspond à la formation d’un jet qui à une distance variable de la sortie de capillaire intérieur (inférieure à 6 fois le rayon interne du capillaire extérieur) se rompt en gouttes.FIG. 3 illustrates images obtained by the observation means for the device and the method according to the invention. At low flow rates of the interior and exterior fluids, drops of interior fluids in the exterior fluid are formed. With a fixed external flow rate, by increasing the internal flow rate, flows of the plug type, oscillating jet then flat jet are gradually observed. At high external flow maintained constant, the progressive increase of the internal flow leads to a transition between a jetting and a flat jet regime. Jetting corresponds to the formation of a jet which at a variable distance from the outlet of the inner capillary (less than 6 times the internal radius of the outer capillary) breaks into drops.
La figure 5 illustre un mode de réalisation de l’invention de manière schématique et non limitative. Sur cette figure, les moyens d’alimention de fluide, les moyens d’observation et de commande ne sont pas représentés, ils peuvent être identiques à ceux illustrés en figure 2. La première représentation dans la figure 5 illustre la formation des gouttes (G) du fluide intérieur dans une phase porteuse (P) formée par le fluide extérieur. La deuxième représentation dans la figure 5 illustre la formation d’un jet continu (J) du fluide intérieur dans le fluide extérieur pour le même dispositif de mesure de tension interfaciale. Le dispositif comporte un organe d’écoulement intérieur A qui débouche dans un organe d’écoulement extérieur C. De plus, le dispositif comporte un organe d’écoulement intermédiaire B. Les organes d’écoulement sont sensiblement coaxiaux, et ont de préférence une forme tubulaire. De plus, l’organe d’écoulement intermédiaire B débouche dans l’organe d’écoulement extérieur C en amont du débouché de l’organe d’écoulement intérieur A. Alternativement, l’organe d’écoulement intermédiaire B peut déboucher dans l’organe d’écoulement extérieur C sensiblement à l’endroit du débouché de l’organe d’écoulement intérieur A. Sur cette figure, sont représentées les injections des fluides : Qii représente le débit de fluide intérieur, Qie représente le débit de fluide intermédiaire et Qe représente le débit de fluide extérieur. De préférence, le fluide intermédiaire est identique au fluide intérieur. Grâce à ce dispositif, il se forme un film D sur la périphérie et le long de l’organe d’écoulement extérieur. Le film D permet le contact entre le fluide intérieur et le fluide extérieur. Ainsi, pour ce dispositif, on peut identifier plusieurs zones : la zone Z1 est une zone d’injection du fluide intérieur et intermédiaire suivant le cas, la zone Z2 une zone d’injection du fluide extérieur, la zone Z3 une zone de pré-équilibrage et la zone Z4 une zone de mesure de la tension interfaciale entre les fluides (les moyens de mesure ne sont pas représentés sur ces figures). Avantageusement, le débit d’injection du fluide intermédiaire sera choisi afin de pouvoir obtenir la formation d’un film jusqu’à la buse du capillaire intérieur,ie.sans formation de gouttes en amont de la buse du capillaire intérieur. Afin de faciliter la mise en œuvre de l’invention, il est préférable de travailler à débit extérieur et intermédiaire fixe et de faire varier le débit intérieur en vue d’observer la transition jet/gouttes.Figure 5 illustrates an embodiment of the invention in a schematic and non-limiting way. In this figure, the fluid supply means, the observation and control means are not represented, they may be identical to those illustrated in FIG. 2. The first representation in FIG. 5 illustrates the formation of drops (G ) of the interior fluid in a carrier phase (P) formed by the exterior fluid. The second representation in Figure 5 illustrates the formation of a continuous jet (J) of the interior fluid in the exterior fluid for the same device for measuring interfacial tension. The device comprises an inner flow member A which opens into an outer flow member C. In addition, the device comprises an intermediate flow member B. The flow members are substantially coaxial, and preferably have a shape tubular. In addition, the intermediate flow member B opens into the outer flow member C upstream of the outlet of the inner flow member A. Alternatively, the intermediate flow member B can open into the external flow member C substantially at the location of the outlet of the internal flow member A. In this figure, the fluid injections are represented: Qii represents the internal fluid flow, Qie represents the intermediate fluid flow and Qe represents the external fluid flow. Preferably, the intermediate fluid is identical to the interior fluid. Thanks to this device, a film D is formed on the periphery and along the outer flow member. The film D allows contact between the interior fluid and the exterior fluid. Thus, for this device, several zones can be identified: zone Z1 is an injection zone for the interior and intermediate fluid depending on the case, zone Z2 an injection zone for the exterior fluid, zone Z3 a zone for pre- balancing and zone Z4 a zone for measuring the interfacial tension between the fluids (the measuring means are not shown in these figures). Advantageously, the injection rate of the intermediate fluid will be chosen in order to be able to obtain the formation of a film up to the nozzle of the interior capillary, ie. without formation of drops upstream of the inner capillary nozzle. In order to facilitate the implementation of the invention, it is preferable to work at a fixed external and intermediate flow rate and to vary the internal flow rate in order to observe the jet/droplet transition.
La figure 6 illustre les liaisons fluidiques reliant les moyens d’alimentation et les organes d’écoulement pour un dispositif et un procédé selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les moyens d’observation et de commande ne sont pas représentés, ils peuvent être identiques à ceux illustrés en figure 2. Dans cette illustration, les moyens d’alimentation sont représentés de maniéré simplifiée sous forme de pousse seringues et les organes d’écoulement sous forme de capillaires. En l’espèce, le pousse seringue 1 est relié au l’organe d’écoulement intérieur A, le pousse seringue 2 est relié au l’organe d’écoulement extérieur C et le pousse seringue 3 est relié au l’organe d’écoulement intermédiaire B. De plus on retrouve sur cette figure un pousse seringue 4, qui représente les moyens d’alimentation supplémentaires et qui est relié au mélangeur microfluidique 5 pour ajouter les additifs ou effectuer des dilutions ou tout autre besoin pour réaliser l’expérimentation. Dans cette illustration, les moyens d’alimentation supplémentaires 4 sont reliés à l’organe d’écoulement extérieur. Cependant, les moyens d’alimentation supplémentaires 4 peuvent être reliés à l’organe d’écoulement intérieur, intermédiaire et/ou extérieur, suivant les nécessités de l’expérimentation. De plus, dans cette illustration le mélangeur microfluidique 5 relie les moyens d’alimentation supplémentaires 4 à l’organe d’écoulement extérieur. Cependant, le mélangeur microfluidique 5 peut être relié à l’organe d’écoulement intérieur, intermédiaire et/ou extérieur, suivant les nécessités de l’expérimentation. Evidemment, ces moyens d’alimentation sont contrôlés par le PC de commande, non représenté.FIG. 6 illustrates the fluidic connections connecting the supply means and the flow members for a device and a method according to one embodiment of the invention. In this figure, the observation and control means are not represented, they may be identical to those illustrated in FIG. 2. In this illustration, the supply means are represented in a simplified manner in the form of syringe pumps and the organs flow in the form of capillaries. In this case, the syringe pump 1 is connected to the internal flow member A, the syringe pump 2 is connected to the external flow member C and the syringe pump 3 is connected to the flow member intermediate B. In addition, this figure shows a syringe pump 4, which represents the additional supply means and which is connected to the microfluidic mixer 5 to add the additives or carry out dilutions or any other need to carry out the experiment. In this illustration, the additional supply means 4 are connected to the external flow member. However, the additional supply means 4 can be connected to the inner, intermediate and/or outer flow member, depending on the requirements of the experiment. Moreover, in this illustration the microfluidic mixer 5 connects the additional supply means 4 to the external flow member. However, the microfluidic mixer 5 can be connected to the inner, intermediate and/or outer flow member, depending on the requirements of the experiment. Obviously, these power supply means are controlled by the control PC, not shown.
En outre, l’invention concerne également un procédé de détermination d'au moins une valeur de tension interfaciale entre deux fluides, comprenant les étapes suivantes :In addition, the invention also relates to a method for determining at least one interfacial tension value between two fluids, comprising the following steps:
- on fait s'écouler un premier fluide, dit fluide intérieur (Qii), dans l’organe d'écoulement intérieur, ainsi qu'un second fluide, dit fluide extérieur (Qe), dans l’organe d'écoulement extérieur, ainsi qu'un troisième fluide, dit fluide intermédiaire (Qie), dans l’organe d'écoulement intermédiaire;- a first fluid, called inner fluid (Qii), is caused to flow into the inner flow member, as well as a second fluid, called outer fluid (Qe), into the outer flow member, as well a third fluid, called intermediate fluid (Qie), in the intermediate flow member;
- on se place tout d'abord dans des conditions telles que, en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur, il se forme,- we place ourselves first of all in conditions such that, downstream of the outlet of the inner flow member in the outer flow member, it forms,
. i) soit des gouttes (G) du fluide intérieur dans une phase porteuse (P) formée par le fluide extérieur,. i) either drops (G) of the interior fluid in a carrier phase (P) formed by the exterior fluid,
. ii) soit un jet continu (J) du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;. ii) or a continuous jet (J) of the interior fluid in the exterior fluid;
- on fait varier le débit d'au moins un des deux fluides ;- The flow rate of at least one of the two fluids is varied;
- on identifie un couple de valeurs de débit de fluide, dit de transition, à partir duquel- a pair of fluid flow rate values, called transition values, from which
. i) soit il se forme désormais un jet continu du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;. i) either a continuous jet of the interior fluid is now formed in the exterior fluid;
. ii) soit il se forme désormais des gouttes du fluide intérieur dans le fluide extérieur ; et. ii) either drops of the interior fluid now form in the exterior fluid; And
- on en déduit ladite valeur ( γ) de tension interfaciale entre ces deux fluides.- Said value (γ) of interfacial tension between these two fluids is deduced therefrom.
Selon le procédé de l’invention, on crée un film d’écoulement de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur au moyen d’un organe d'écoulement intermédiaire, qui débouche dans le volume interne de l’organe d’écoulement extérieur, dans une zone en amont du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. En d’autres termes, le fluide s’écoulant dans l’organe d’écoulement intermédiaire traverse l’organe d’écoulement intermédiaire, et entre dans l’organe d’écoulement extérieur dans une zone où s’écoule le fluide extérieur. Le fluide intermédiaire se positionne alors autour de l’organe d’écoulement intérieur, en raison du positionnement respectif des organes d’écoulement et en raison de la tension interfaciale entre les fluides.According to the method of the invention, a fluid flow film is created in contact with the periphery and along the internal flow member by means of an intermediate flow member, which opens into the internal volume of the outer flow member, in a zone upstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member. In other words, the fluid flowing in the intermediate flow member passes through the intermediate flow member, and enters the outer flow member in an area where the outer fluid flows. The intermediate fluid then positions itself around the inner flow organ, due to the respective positioning of the flow organs and due to the interfacial tension between the fluids.
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La création du film d’écoulement de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur permet de créer un contact progressif entre les deux fluides en amont de la buse du capillaire intérieur afin de laisser le temps aux tensioactifs et autres molécules amphiphiles de diffuser et de s’adsorber à l’interface avant d’arriver au niveau de la buse du capillaire intérieur. Ce procédé a pour avantage de permettre la mise en contact entre les deux fluides afin que l’ensemble des molécules amphiphiles et éventuellement des particules puissent diffuser, s’adsorber et se réarranger à l’interface afin que l’interface soit à l’équilibre lorsqu’elle atteint la buse, ie. l’extrémité de l’organe d’écoulement intérieur. L’effet technique recherché est l’amélioration de la précision de l’observation de la tension interfaciale et plus particulièrement l’obtention d’une mesure de tension interfaciale à l’équilibre.The creation of the fluid flow film in contact with the periphery and along the interior flow member makes it possible to create a progressive contact between the two fluids upstream of the nozzle of the interior capillary in order to allow time for the surfactants and other amphiphilic molecules to diffuse and adsorb at the interface before arriving at the nozzle of the inner capillary. This process has the advantage of allowing contact between the two fluids so that all of the amphiphilic molecules and possibly particles can diffuse, adsorb and rearrange themselves at the interface so that the interface is at equilibrium. when it reaches the nozzle, ie. the end of the inner flow member. The technical effect sought is the improvement of the precision of the observation of the interfacial tension and more particularly the obtaining of a measurement of interfacial tension at equilibrium.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les fluides s’écoulant dans l’organe d'écoulement intermédiaire et dans l’organe d'écoulement intérieur peuvent être identiques. En d’autres termes, le fluide intérieur peut correspondre au fluide intermédiaire.According to one embodiment of the invention, the fluids flowing in the intermediate flow member and in the inner flow member can be identical. In other words, the interior fluid can correspond to the intermediate fluid.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’organe d'écoulement intermédiaire peut être coaxial à l'organe d'écoulement intérieur.According to one embodiment of the invention, the intermediate flow member can be coaxial with the inner flow member.
Selon un mode de réalisation du procédé, les fluides sont mises en contact durant un temps suffisant pour permettre la diffusion, l’absorption et le réarrangement des molécules amphiphiles, électrolytes et particules à l’interface entre les fluides, le temps de contact pouvant atteindre préférablement 500 secondes.According to one embodiment of the method, the fluids are brought into contact for a sufficient time to allow the diffusion, absorption and rearrangement of the amphiphilic molecules, electrolytes and particles at the interface between the fluids, the contact time possibly reaching preferably 500 seconds.
Selon un mode de réalisation du procédé ces organes d’écoulement, également identifiés sous la dénomination de « capillaires » dans l’art de la technique, sont de préférence coaxiaux. De plus, ils sont disposés de manière à ce que l'organe d'écoulement intérieur débouche dans le volume interne de l'organe d'écoulement extérieur.According to one embodiment of the method, these flow members, also identified under the name of "capillaries" in the art of the technique, are preferably coaxial. In addition, they are arranged so that the inner flow member opens into the internal volume of the outer flow member.
Selon un mode de réalisation du procédé, les trois organes d'écoulement sont alimentés par des moyens d'alimentation en au moins deux fluides. Les moyens d’alimentation en deux fluides permettent de réaliser les écoulements dans les organes d’écoulement intérieur et extérieur. De préférence, les deux fluides, appelés fluide intérieur et fluide extérieur, peuvent être des liquides non miscibles, par exemple de l’eau et de l’huile. De manière avantageuse, l’un des deux fluides peut comprendre un tensioactif.According to one embodiment of the method, the three flow members are supplied by supply means with at least two fluids. The means for supplying two fluids make it possible to produce the flows in the inner and outer flow members. Preferably, the two fluids, called inner fluid and outer fluid, can be immiscible liquids, for example water and oil. Advantageously, one of the two fluids can comprise a surfactant.
Selon un mode de réalisation du procédé, on peut modifier les conditions opératoires au sein des organes d’écoulement intérieur et extérieur par le biais des moyens de variation du débit d'au moins un des fluides et/ou de la température et/ou de la pression et/ou d’une modification de la composition chimique d’au moins un des fluides. Les moyens de variation du débit sont liés d’une part au moyens d’alimentation et d’autre part aux organes d’écoulement intérieur, intermédiaire et extérieur.According to one embodiment of the method, it is possible to modify the operating conditions within the internal and external flow members by means of the means for varying the flow rate of at least one of the fluids and/or the temperature and/or the the pressure and/or a modification of the chemical composition of at least one of the fluids. The flow variation means are linked on the one hand to the supply means and on the other hand to the internal, intermediate and external flow members.
Selon un mode de réalisation du procédé, le capillaire intérieur peut être en inox ou tout autre matériel permettant l’écoulement du fluide et adapté aux circonstances des modes de réalisation de l’invention.According to one embodiment of the method, the inner capillary can be made of stainless steel or any other material allowing the flow of the fluid and adapted to the circumstances of the embodiments of the invention.
Selon un mode de réalisation du procédé, le capillaire extérieur peut être en silice fondue revêtue de polyimide ou tout autre matériel permettant l’écoulement du fluide et adapté aux circonstances des modes de réalisation de l’invention, par exemple puce microfluidique Pyrex® silicium ou Pyrex® ou silice fondue ou saphir. En effet, la nature du matériau de ce capillaire doit permettre la mise en œuvre de l’observation de l’écoulement plus particulièrement à l’endroit de la mise en contact des deux fluides.According to one embodiment of the method, the outer capillary can be made of fused silica coated with polyimide or any other material allowing the flow of the fluid and adapted to the circumstances of the embodiments of the invention, for example microfluidic chip Pyrex® silicon or Pyrex® or fused silica or sapphire. Indeed, the nature of the material of this capillary must allow the implementation of the observation of the flow more particularly at the place of the contacting of the two fluids.
Ces organes d’écoulement (capillaires) sont alimentés chacun avec un fluide par des moyens d'alimentation. Selon un mode de réalisation du procédé, ces moyens d’alimentation peuvent comprendre une ou plusieurs pousse-seringues ou tout autre dispositif d’alimentation en fluide. Selon une variante de l’invention, une pousse-seringue est reliée à chaque capillaire. Naturellement, les moyens d’alimentation sont reliés aux organes d’écoulement avec des conduites adaptés à la circulation des fluides.These flow organs (capillaries) are each supplied with a fluid by supply means. According to one embodiment of the method, these supply means may comprise one or more syringe pumps or any other fluid supply device. According to a variant of the invention, a syringe pump is connected to each capillary. Naturally, the supply means are connected to the flow members with pipes adapted to the circulation of fluids.
Selon un mode de réalisation du procédé, l’organe d'écoulement intermédiaire peut déboucher dans une zone en amont ou sensiblement au même endroit de l’introduction du fluide dans l’espace interne de l'organe d'écoulement extérieur.According to one embodiment of the method, the intermediate flow member can emerge in a zone upstream or substantially at the same place of the introduction of the fluid into the internal space of the outer flow member.
Selon un mode de réalisation du procédé, les moyens d'alimentation en deux fluides peuvent être conçus pour appliquer des débits entre 2 µL/h et 336 mL/h, préférablement entre 2 µL/h et 8 mL/h. Ces débits permettent des mesures de tension interfaciales pour les fluides et tensioactifs mis en œuvre dans le domaine de l’EOR et également pour des gammes de tensions interfaciales comprises entre 10-3mN/m et 50 mN/m et des viscosités entre 1 et 300 mPa.s. Avantageusement, le dispositif peut être optimisé afin de concevoir l’organe d'écoulement intérieur, l’organe d'écoulement extérieur, les moyens d'alimentation en deux fluides, les moyens de variation du débit d'au moins un des fluides et les moyens d'observation de la nature de l'écoulement pour permettre l’écoulement des fluides ayant une viscosité allant jusqu’à 1000 mPa.s.According to one embodiment of the method, the means for supplying two fluids can be designed to apply flow rates between 2 μL/h and 336 mL/h, preferably between 2 μL/h and 8 mL/h. These flow rates allow interfacial tension measurements for fluids and surfactants used in the field of EOR and also for interfacial tension ranges between 10 -3 mN/m and 50 mN/m and viscosities between 1 and 300 mPa.s. Advantageously, the device can be optimized in order to design the inner flow member, the outer flow member, the means for supplying two fluids, the means for varying the flow rate of at least one of the fluids and the means for observing the nature of the flow to allow the flow of fluids having a viscosity of up to 1000 mPa.s.
Selon un mode de réalisation du procédé, l’organe d'écoulement intérieur peut avoir un rayon interne allant de 50 à 200 µm, préférablement de 100 à 180 µm et une longueur de 1 à 80 cm, préférablement de 5 à 20 cm. Selon une variante, le rapport entre le diamètre de l'organe d'écoulement extérieur et le diamètre de l'organe d'écoulement intérieur peut être compris entre 1,2 et 10, de préférence entre 1,5 et 5.According to one embodiment of the method, the internal flow member can have an internal radius ranging from 50 to 200 μm, preferably from 100 to 180 μm and a length from 1 to 80 cm, preferably from 5 to 20 cm. According to a variant, the ratio between the diameter of the outer flow member and the diameter of the inner flow member can be between 1.2 and 10, preferably between 1.5 and 5.
La tension interfaciale est déduite de l’observation de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. Des moyens d'observation positionnés de manière appropriée renseignes sur le comportement de l’écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur. Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut identifier l'existence de gouttes ou l'existence d'un jet, en plaçant un émetteur laser et une photodiode de part et d'autre de l'organe d'écoulement extérieur, en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur. Avantageusement, on peut utiliser au moins un capteur optique, au moins une photodiode et barrière laser, de préférence une caméra, de manière préférée une caméra CCD, éventuellement montée sur un microscope ou un objectif.The interfacial tension is inferred from observing the nature of the flow downstream of the outlet of the inner flow member into the outer flow member. Appropriately positioned observation means provide information on the behavior of the flow downstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member. According to one embodiment of the invention, the existence of drops or the existence of a jet can be identified by placing a laser emitter and a photodiode on either side of the external flow member, downstream of the outlet of the inner flow member. Advantageously, it is possible to use at least one optical sensor, at least one photodiode and laser barrier, preferably a camera, preferably a CCD camera, optionally mounted on a microscope or an objective.
Selon un mode de réalisation du procédé, le procédé peut comporter une étape de contrôle de la température et de la pression pour contrôler au moins un des fluides. De préférence, le procédé peut permettre de travailler sur une plage températures et pression partant de la température ambiante à 150 °C et de la pression atmosphérique à 150 bar. Avantageusement, on prépare les différents couples de fluide en modifiant au moins une condition d'au moins un fluide, en particulier le pH et/ou la température et/ou la pression.According to one embodiment of the method, the method may include a temperature and pressure control step to control at least one of the fluids. Preferably, the method can make it possible to work over a temperature and pressure range starting from ambient temperature to 150° C. and from atmospheric pressure to 150 bar. Advantageously, the different fluid pairs are prepared by modifying at least one condition of at least one fluid, in particular the pH and/or the temperature and/or the pressure.
Selon un mode de réalisation du procédé, le procédé peut comporter une étape de dilution en amont des capillaires imbriqués afin de mesurer la tension interfaciale en fonction de la concentration d’une espèce en EHD (Expérimentation Haut Débit) en utilisant des moyens d’alimentation supplémentaires, qui peuvent avoir la forme de pousse-seringues et d’un mélangeur microfluidique.According to one embodiment of the method, the method may include a dilution step upstream of the nested capillaries in order to measure the interfacial tension as a function of the concentration of a species in EHD (High Throughput Experiment) using supply means additional devices, which may take the form of syringe pumps and a microfluidic mixer.
Selon un mode de réalisation du procédé, une étape de celui-ci consiste dans la réalisation de conditions de température et de pression équivalentes aux conditions industrielles recherchées, cela peut également permettre d’atteindre l’état supercritique pour au moins un des fluides.According to one embodiment of the method, one step thereof consists in achieving temperature and pressure conditions equivalent to the desired industrial conditions, this can also make it possible to reach the supercritical state for at least one of the fluids.
Selon un mode de réalisation du procédé, le procédé peut comporter une étape de contrôle informatique, notamment au moyen d’un PC de commande, pour contrôler des moyens de variation du débit d'au moins un liquide, en intégrant les signaux venant des moyens de mesure optique. Dans ce cas, cette étape peut contrôler également lesdits moyens d’observation notamment par un logiciel d’analyse d’images relié auxdits moyens d’observation.According to one embodiment of the method, the method may include a computer control step, in particular by means of a control PC, to control means for varying the flow rate of at least one liquid, by integrating the signals coming from the means optical measurement. In this case, this step can also control said means of observation, in particular by image analysis software connected to said means of observation.
Selon un mode de réalisation du procédé, une étape de celui-ci peut mettre en œuvre des moyens d'alimentation supplémentaires d’un fluide destiné à être mélangé au fluide extérieur ou au fluide intérieur, préférablement sous forme de pousse-seringues. On peut ainsi préparer les différents couples de fluide en ajoutant au moins une substance à au moins un fluide, cette substance étant notamment un tensioactif et/ou un polymère et/ou une particule solide. De manière avantageuse, ce mode de réalisation met en œuvre également un mélangeur microfluidique situé entre les moyens d'alimentation et les organes d’écoulement. Dans ce mode de réalisation, pour une application EOR, on peut ajouter un tensioactif à au moins un des deux fluides. Ainsi, on peut faire varier le temps de formation des gouttes, puis déterminer plusieurs valeurs de tension interfaciale entre ces deux mêmes fluides, relatives à des temps de formation de gouttes différents, puis réaliser une courbe représentant la variation de cette valeur de tension interfaciale en fonction du temps de formation des gouttes, et identifier un temps caractéristique du tensioactif, correspondant à la transition entre une zone où la valeur de tension interfaciale est sensiblement constante en fonction du temps de formation, et une zone adjacente, où cette valeur de tension interfaciale augmente au fur et à mesure que ce temps de formation diminue.According to one embodiment of the method, a step thereof can implement additional means for supplying a fluid intended to be mixed with the external fluid or with the internal fluid, preferably in the form of syringe pumps. It is thus possible to prepare the different fluid pairs by adding at least one substance to at least one fluid, this substance being in particular a surfactant and/or a polymer and/or a solid particle. Advantageously, this embodiment also implements a microfluidic mixer located between the supply means and the flow members. In this embodiment, for an EOR application, a surfactant can be added to at least one of the two fluids. Thus, it is possible to vary the time of formation of the drops, then to determine several values of interfacial tension between these two same fluids, relating to different times of formation of drops, then to produce a curve representing the variation of this value of interfacial tension in function of the formation time of the drops, and identifying a characteristic time of the surfactant, corresponding to the transition between a zone where the interfacial tension value is substantially constant as a function of the formation time, and an adjacent zone, where this interfacial tension value increases as the training time decreases.
Le procédé décrit dans l’invention met en œuvre le dispositif décrit plus haut et, de manière avantageuse, les modes de réalisation tels que décrits plus haut. De manière générale, on fixe le débit, dit extérieur, du fluide extérieur et on fait varier le débit, dit intérieur, du fluide intérieur et on déduit la valeur de la tension interfaciale à partir du débit fixé de fluide extérieur, du débit de transition du fluide intérieur, du diamètre du capillaire extérieur, ainsi que des viscosités des fluides intérieur et extérieur. La mise en œuvre de ce procédé permet la détermination de plusieurs tension interfaciales pour différents paramètres (composition chimique, paramètres physiques) et choix d’une formulation optimale dans les conditions du réservoir pour une récupération assistée des hydrocarbures.The method described in the invention implements the device described above and, advantageously, the embodiments as described above. In general, the flow rate, called external, of the external fluid is fixed and the flow rate, called internal, of the internal fluid is varied and the value of the interfacial tension is deduced from the fixed flow rate of external fluid, from the transition flow the interior fluid, the diameter of the exterior capillary, as well as the viscosities of the interior and exterior fluids. The implementation of this process allows the determination of several interfacial tensions for different parameters (chemical composition, physical parameters) and choice of an optimal formulation in the conditions of the reservoir for an enhanced recovery of hydrocarbons.
Le type d’écoulement généré à la sortie du capillaire intérieur est due aux instabilités de Rayleigh-Plateau, il est donc régi par les débits respectifs des fluides intérieur et extérieur, de leur viscosité dynamique, par le rayon intérieur du capillaire extérieur et par la tension interfaciale entre les fluides intérieur et extérieur. Un modèle peut être utilisé afin de mesurer la tension interfaciale à partir du diagramme d’écoulement représentant la nature de l’écoulement en fonction des débits intérieur et extérieur, cf figure 3. Cette figure représente le diagramme type représentant le type d’écoulement obtenu en fonction des débits intérieur et extérieur respectivement des fluides intérieur et extérieur.The type of flow generated at the outlet of the inner capillary is due to Rayleigh-Plateau instabilities, it is therefore governed by the respective flow rates of the inner and outer fluids, their dynamic viscosity, by the inner radius of the outer capillary and by the interfacial tension between the inner and outer fluids. A model can be used to measure the interfacial tension from the flow diagram representing the nature of the flow as a function of the internal and external flow rates, see figure 3. This figure represents the typical diagram representing the type of flow obtained depending on the internal and external flow rates respectively of the internal and external fluids.
Un exemple (non limitatif) de modèle, est détaillé dans document « Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition », ce modèle est basé sur la théorie des instabilités absolues et des instabilités convectées. Les instabilités absolues remontent l’écoulement, ie. la vitesse de l’enveloppe des perturbations v* est négative et conduisent à la rupture du jet en gouttelettes. A contrario, les instabilités convectées se propagent dans la direction de l’écoulement, v* est positive et conduisent à un jet. A la transition entre les instabilités absolues et convectées, v* est égale à 0. La résolution de cette dernière équation permet de déterminer la tension interfaciale puisque l’ensemble des autres paramètres (viscosité, rayon interne du capillaire extérieur et débits) sont connus; les débits étant déterminés à l’aide du diagramme d’écoulement puisque v*=0 correspond macroscopiquement à la transition entre le régime de gouttes et de jets. Le diagramme d’écoulement permet donc de résoudre l’équation en chaque point de la transition jet-gouttes. Pour plus de précision, la méthode des moindres carrées est utilisée afin de sélectionner la tension interfaciale ajustant au mieux la ligne de transition jet-gouttes du diagramme d’écoulement.An example (non-limiting) of a model is detailed in the document “Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition”, this model is based on the theory of absolute instabilities and convected instabilities. Absolute instabilities move up the flow, ie. the velocity of the disturbance envelope v* is negative and leads to the breakup of the jet into droplets. Conversely, convected instabilities propagate in the direction of the flow, v* is positive and lead to a jet. At the transition between absolute and convected instabilities, v* is equal to 0. The resolution of this last equation makes it possible to determine the interfacial tension since all the other parameters (viscosity, internal radius of the external capillary and flow rates) are known; the flow rates being determined using the flow diagram since v*=0 macroscopically corresponds to the transition between the regime of drops and jets. The flow diagram therefore makes it possible to solve the equation at each point of the jet-drop transition. For more precision, the least squares method is used to select the interfacial tension that best fits the jet-drop transition line of the flow diagram.
Pour résumer, la mesure est effectuée à l’aide de l’observation du type d’écoulement résultant de la propagation d’instabilités. L’une des instabilités conduit à la destruction de jets en gouttelettes. La plage de débit concernée par ces instabilités absolues croit avec la tension interfaciale, cf. figure 4. Cette figure représente l’évolution de la courbe de transition entre un régime de jet et un régime de gouttes en fonction de la tension interfaciale γ.To summarize, the measurement is carried out using the observation of the type of flow resulting from the propagation of instabilities. One of the instabilities leads to the destruction of jets into droplets. The range of flow concerned by these absolute instabilities increases with the interfacial tension, cf. figure 4. This figure represents the evolution of the transition curve between a jet regime and a drop regime as a function of the interfacial tension γ.
Il est donc impossible d’effectuer une mesure à l’équilibre, si le système n’est pas encore équilibré à une distance d’un diamètre du jet après la sortie du capillaire intérieur, puisqu’à partir de cette distance, les instabilités absolues sont aptes à se former et rompre l’écoulement jusqu’à la buse du capillaire intérieur. Cela est illustré par deux exemples dans le document « Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition » pour lesquelles les tensioactifs n’ont pas le temps de diffuser à l’interface avant le début de la propagation des instabilités. Il est donc impératif de modifier la géométrie actuelle afin de pouvoir effectuer la mesure à l’équilibre; en effet, il faut pouvoir créer une interface en amont de la buse du capillaire intérieur sans qu’elle puisse être déstabilisée par les instabilités absolues.It is therefore impossible to carry out a measurement at equilibrium, if the system is not yet balanced at a distance of one diameter from the jet after the exit of the interior capillary, since from this distance, the absolute instabilities are able to form and break the flow to the nozzle of the inner capillary. This is illustrated by two examples in the document “Ultralow Interfacial Tension Measurement through Jetting/Dripping Transition” for which the surfactants do not have time to diffuse at the interface before the onset of the propagation of instabilities. It is therefore imperative to modify the current geometry in order to be able to carry out the measurement at equilibrium; indeed, it is necessary to be able to create an interface upstream of the nozzle of the interior capillary without it being able to be destabilized by absolute instabilities.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation des évidements, décrits ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.It goes without saying that the invention is not limited solely to the embodiments of the recesses, described above by way of example, on the contrary it embraces all variant embodiments.
A partir de cette variante de réalisation, décrite immédiatement ci-dessus, on peut mettre en œuvre un procédé de criblage de différents agents tensioactifs. A cet effet, on utilise deux fluides non miscibles de base, qu'on fait s'écouler dans les l’organe d’écoulement intérieur A et extérieur C. Puis, on leur ajoute successivement différents agents tensioactifs, dont on mesure la tension interfaciale, selon les étapes décrites ci-dessus. Le ou les agent(s) tensioactif(s) préféré(s) correspond(ent) en particulier à ceux dont les temps caractéristiques sont inférieurs aux temps caractéristiques de l'application. Typiquement le temps caractéristique pour les additifs de pulvérisation est de l'ordre de la milliseconde, alors que celui des additifs de détergence est de l'ordre de la seconde. Ce criblage d'agents tensioactifs peut être mis en œuvre de façon avantageuse, dans de nombreux domaines techniques, tels que les détergents, ou les additifs de pulvérisation. Ainsi, dans le cas des détergents, les deux fluides qu'on fait s'écouler sont par exemple de l'huile et de l'eau, alors que les tensioactifs étudiés sont de la famille des tensioactifs ioniques tels que des sulfonates, ou des tensioactifs non ioniques. L'invention permet d'atteindre les objectifs précédemment mentionnés. En effet, le procédé de détermination de la tension interfaciale, conforme à l'invention, peut être mis en œuvre de manière simple et rapide. En outre, les différentes étapes qu'il fait intervenir sont susceptibles d'être réalisées de façon automatisée, pour la plupart d'entre elles. De plus, le procédé de l'invention permet d'accéder à une vaste gamme de valeurs de tension interfaciale. En outre, il est possible de faire varier, de manière très rapide, la nature des deux fluides, dont on désire connaître la tension interfaciale. Enfin, l'installation conforme à l'invention, permettant la mise en œuvre du procédé ci-dessus, est d'un coût peu élevé.From this alternative embodiment, described immediately above, it is possible to implement a method for screening various surfactants. For this purpose, two basic immiscible fluids are used, which are caused to flow through the inner A and outer C flow members. Then, different surfactants are successively added to them, the interfacial tension of which is measured. , following the steps described above. The preferred surfactant(s) correspond(s) in particular to those whose characteristic times are less than the characteristic times of the application. Typically the characteristic time for spray additives is on the order of milliseconds, whereas that for detergent additives is on the order of seconds. This screening of surfactants can be advantageously implemented in many technical fields, such as detergents, or spray additives. Thus, in the case of detergents, the two fluids which are made to flow are, for example, oil and water, whereas the surfactants studied are from the family of ionic surfactants such as sulfonates, or nonionic surfactants. The invention makes it possible to achieve the previously mentioned objectives. Indeed, the method for determining the interfacial tension, in accordance with the invention, can be implemented simply and quickly. In addition, the various steps that it involves are likely to be carried out in an automated manner, for the most part. Moreover, the method of the invention makes it possible to access a wide range of interfacial tension values. In addition, it is possible to vary, very quickly, the nature of the two fluids, the interfacial tension of which one wishes to know. Finally, the installation according to the invention, allowing the implementation of the above method, is inexpensive.
Afin d’illustrer l’avantage de la méthode GammaDrop par rapport à la méthode de la goutte pendante, nous proposons ci-dessous le récit d’une expérience mettant en œuvre le montage actuel permettant uniquement de mesurer la tension interfaciale pour des tensioactifs à cinétique rapide. On alimente l’organe d’écoulement intérieur A avec une solution eau distillée+glycérol (ratio massique 0.47) ayant des concentrations en bromure de dodécyltriméthylammonium (DTAB) comprises entre 1.8.10-3mol/L et 70,3.10-3mol/L et des viscosités comprises entre 18.3 et 22.7 mPa.s. On alimente l’organe d’écoulement extérieur C avec une huile silicone 247.3 mPa.s. Le rayon interne du capillaire extérieur mesure 265 µm, la plage de débit parcourue est comprise entre 0.1 et 10 mL/h. Cela a permis de mesurer des tensions interfaciales comprises entre 9 et 27 mN/m, avec une justesse et une fidélité en accord avec les résultats d’un tensiomètre commercial à goutte pendante.
In order to illustrate the advantage of the GammaDrop method compared to the hanging drop method, we propose below the account of an experiment implementing the current assembly allowing only to measure the interfacial tension for surfactants with kinetics fast. The internal flow member A is fed with a distilled water+glycerol solution (mass ratio 0.47) having dodecyltrimethylammonium bromide (DTAB) concentrations of between 1.8.10 -3 mol/L and 70.3.10 -3 mol/ L and viscosities between 18.3 and 22.7 mPa.s. The external flow member C is fed with a 247.3 mPa.s silicone oil. The inner radius of the outer capillary measures 265 µm, the flow rate range covered is between 0.1 and 10 mL/h. This made it possible to measure interfacial tensions between 9 and 27 mN/m, with accuracy and fidelity in agreement with the results of a commercial hanging drop tensiometer.
Claims (18)
- un organe d'écoulement intérieur (A) et un organe d'écoulement extérieur (C), de préférence coaxiaux, l'organe d'écoulement intérieur débouchant dans le volume interne de l'organe d'écoulement extérieur ;
- un organe d’écoulement intermédiaire (B),
- des moyens d'alimentation (1, 2, 3, 4) en au moins deux fluides dans les trois organes d'écoulement ;
- des moyens de variation du débit d'au moins un des fluides ; et
- des moyens d'observation (7, 8) de la nature de l'écoulement en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur
caractérisé en ce que l’organe d'écoulement intermédiaire (B) débouche dans le volume interne de l’organe d’écoulement extérieur (C), l’organe d'écoulement intermédiaire (B) étant configuré pour créer un film d’écoulement (D) de fluide en contact avec la périphérie et le long de l’organe d’écoulement intérieur (A).Device for determining an interfacial tension value between two fluids comprising:
- an inner flow member (A) and an outer flow member (C), preferably coaxial, the inner flow member opening into the internal volume of the outer flow member;
- an intermediate flow member (B),
- Supply means (1, 2, 3, 4) with at least two fluids in the three flow members;
- Means for varying the flow rate of at least one of the fluids; And
- observation means (7, 8) of the nature of the flow downstream of the opening of the inner flow member into the outer flow member
characterized in that the intermediate flow member (B) opens into the internal volume of the outer flow member (C), the intermediate flow member (B) being configured to create a flow film (D) fluid contacting the periphery and along the inner flow member (A).
- on fait s'écouler un premier fluide, dit fluide intérieur (Qii), dans l’organe d'écoulement intérieur (A), ainsi qu'un second fluide, dit fluide extérieur (Qe), dans l’organe d'écoulement extérieur (C), ainsi qu'un troisième fluide, dit fluide intermédiaire (Qie), dans l’organe d'écoulement intermédiaire (B);
- on se place tout d'abord dans des conditions telles que, en aval du débouché de l'organe d'écoulement intérieur dans l'organe d'écoulement extérieur, il se forme,
. i) soit des gouttes (G) du fluide intérieur dans une phase porteuse (P) formée par le fluide extérieur,
. ii) soit un jet continu (J) du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;
- on fait varier le débit d'au moins un des deux fluides ;
- on identifie un couple de valeurs de débit de fluide, dit de transition, à partir duquel
. i) soit il se forme désormais un jet continu du fluide intérieur dans le fluide extérieur ;
. ii) soit il se forme désormais des gouttes du fluide intérieur dans le fluide extérieur ; et
- on en déduit ladite valeur ( γ) de tension interfaciale entre ces deux fluides.Method for determining at least one interfacial tension value between two fluids, implementing the device according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
- a first fluid, called inner fluid (Qii), is caused to flow into the inner flow member (A), as well as a second fluid, called outer fluid (Qe), into the flow member exterior (C), as well as a third fluid, called intermediate fluid (Qie), in the intermediate flow member (B);
- we place ourselves first of all in conditions such that, downstream of the outlet of the inner flow member in the outer flow member, it forms,
. i) either drops (G) of the interior fluid in a carrier phase (P) formed by the exterior fluid,
. ii) or a continuous jet (J) of the interior fluid in the exterior fluid;
- The flow rate of at least one of the two fluids is varied;
- a pair of fluid flow rate values, called transition values, from which
. i) either a continuous jet of the interior fluid is now formed in the exterior fluid;
. ii) either drops of the interior fluid now form in the exterior fluid; And
- Said value (γ) of interfacial tension between these two fluids is deduced therefrom.
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