FR3121452A1 - Biofilm analysis process with flow rate and pressure gradient control in an enclosure - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé et un dispositif d’analyse du comportement d’un biofilm au sein d’un milieu poreux (6) comprenant au moins les étapes suivantes :a) on injecte un fluide à une entrée (4) d’une enceinte (5) comprenant le milieu poreux (6) à un débit constant pour générer le biofilm ou pour éliminer au moins partiellement le biofilm, le fluide pouvant ressortir de l’enceinte (5) à débit constant par une première sortie (3) de l’enceinte (5) sans traverser le milieu poreux., etb) on contrôle un gradient de pression dans le milieu poreux (6) entre l’entrée (4) et une deuxième sortie (7) de l’enceinte (5) de manière à imposer un écoulement dans le milieu poreux (6) à un gradient de pression prédéterminé. Figure 2 à publierThe invention relates to a method and a device for analyzing the behavior of a biofilm within a porous medium (6) comprising at least the following steps: a) a fluid is injected at an inlet (4) of a enclosure (5) comprising the porous medium (6) at a constant flow rate to generate the biofilm or to at least partially eliminate the biofilm, the fluid being able to emerge from the enclosure (5) at a constant flow rate through a first outlet (3) of the enclosure (5) without passing through the porous medium, andb) a pressure gradient is monitored in the porous medium (6) between the inlet (4) and a second outlet (7) of the enclosure (5) of so as to impose a flow in the porous medium (6) at a predetermined pressure gradient. Figure 2 to be published
Description
L’invention concerne le domaine de l’analyse des biofilms dans des milieux poreux. Plus particulièrement, elle concerne un procédé d’analyse d’un biofilm ainsi qu’un dispositif pour l’analyse d’un biofilm.The invention relates to the field of the analysis of biofilms in porous media. More particularly, it relates to a method for analyzing a biofilm as well as a device for analyzing a biofilm.
Dans les milieux réels (aquifères, réservoirs de gaz ou pétroliers), des bactéries peuvent survivre et croitre, entrainant la formation de biofilm ayant des effets très divers et colonisant ainsi le milieu poreux et les abords des puits de forage. Cette croissance de biofilm peut impacter des procédés très variés comme la géothermie, la dépollution des sols, la captation d’eau potable dans les aquifères, l’extraction pétrolière et gazière, le stockage géologique des gaz (CO2, gaz naturel, H2,…).In real environments (aquifers, gas or oil reservoirs), bacteria can survive and grow, leading to the formation of biofilm having very diverse effects and thus colonizing the porous environment and the surroundings of wellbores. This biofilm growth can impact a wide variety of processes such as geothermal energy, soil remediation, capture of drinking water in aquifers, oil and gas extraction, geological storage of gases (CO 2 , natural gas, H 2 ,…).
Parmi ces applications, on peut citer l’exploration et l’exploitation de puits d’hydrocarbures, particulièrement avec récupération assistée d’hydrocarbures (ou EOR selon la terminologie anglo-saxonne pour « Enhanced Oil Recovery »). On peut aussi citer la récupération géothermique de fluides souterrains dans des roches poreuses, ou encore le stockage de gaz du type CH4, H2, CO2ou du gaz naturel, dans des roches poreuses, pour leur utilisation ultérieure (H2, CH4, gaz naturel) ou pour leur piégeage (CO2).Among these applications, we can cite the exploration and exploitation of hydrocarbon wells, particularly with enhanced oil recovery (or EOR according to the Anglo-Saxon terminology for "Enhanced Oil Recovery"). We can also cite the geothermal recovery of underground fluids in porous rocks, or the storage of gas of the CH type4, H2, CO2Where natural gas, in porous rocks, for their subsequent use (H2, CH4, natural gas) or for their capture (CO2).
Dans ces trois cas de figures, on est amené à injecter ou réinjecter des fluides, gaz ou liquide, à travers des puits de forage, dans des roches poreuses, et, dès le départ de l’exploitation ou du fait même de ces injections/réinjections de fluides qu’implique leur exploitation, les roches poreuses et les puits d’injection/production, peuvent être le siège de proliférations de micro-organismes.In these three cases, we are led to inject or re-inject fluids, gas or liquid, through drilling wells, into porous rocks, and, from the start of operations or by the very fact of these injections/ reinjection of fluids involved in their operation, porous rocks and injection/production wells, can be the site of proliferation of micro-organisms.
Or l’accumulation ou l’activité des micro-organismes dans ces roches réservoirs est préjudiciable à leur exploitation. En effet, il a été observé que ces micro-organismes tendent à former des biofilms par la production de polymères extracellulaires, causant une réduction significative du volume poral disponible des matériaux poreux colonisés par ces bactéries. (On comprend dans tout le présent texte par volume poral le volume du matériau poreux qui est accessible à un fluide). On parle alors de colmatage biologique, ce qui pose de multiples problèmes : réduction du volume disponible pour le stockage de fluide, pertes de charge pouvant devenir rédhibitoires dans le cas d’injection de fluide, une partie de la porosité de la roche devenant inaccessible aux fluides, réservoir de micro-organismes qui pourront par la suite recoloniser le milieu. Ces biofilms peuvent aussi avoir des effets positifs, il a par exemple été montré qu’ils pouvaient modifier ou améliorer l’étanchéité des casings (cimentations) de puits d’injection/production en obturant les microfissures qui peuvent s’y développer. Parmi les micro-organismes généralement impliqués se trouvent notamment des bactéries sulfato-réductrices, qui utilisent le soufre des ions SO4, lesquels sont transformés en ions sulfites, en sulfure ou en H2S, ce qui favorise en outre la corrosion des circuits, matériaux et équipements utilisés pour l’injection de fluide dans ces roches poreuses.However, the accumulation or activity of micro-organisms in these reservoir rocks is detrimental to their exploitation. Indeed, it has been observed that these microorganisms tend to form biofilms by the production of extracellular polymers, causing a significant reduction in the available pore volume of the porous materials colonized by these bacteria. (Throughout the present text, pore volume means the volume of the porous material which is accessible to a fluid). We then speak of biological clogging, which poses multiple problems: reduction in the volume available for the storage of fluid, pressure drops that can become prohibitive in the case of fluid injection, part of the porosity of the rock becoming inaccessible to fluids, reservoir of micro-organisms that can subsequently recolonize the environment. These biofilms can also have positive effects. For example, it has been shown that they can modify or improve the tightness of the casings (cementations) of injection/production wells by sealing the microcracks that can develop there. Among the micro-organisms generally involved are found in particular sulphate-reducing bacteria, which use the sulfur of the SO 4 ions, which are transformed into sulphite ions, sulphide or H 2 S, which also promotes the corrosion of the circuits, materials and equipment used for injecting fluid into these porous rocks.
L’étude expérimentale du développement et du comportement en milieu poreux de ces microorganismes (bactéries notamment) et biofilms permet de mieux comprendre les différents mécanismes de croissance et de déplacement des microorganismes et du biofilm et d’ainsi pouvoir étudier leurs effets et lorsque c’est nécessaire, d’étudier les moyens de remédiation ou de contrôle de ces phénomènes. Par nature, les écoulements dans ces milieux réels se font principalement à pression imposée.The experimental study of the development and behavior in a porous medium of these microorganisms (especially bacteria) and biofilms makes it possible to better understand the different mechanisms of growth and movement of microorganisms and biofilm and thus to be able to study their effects and when they is necessary, to study the means of remediation or control of these phenomena. By nature, the flows in these real environments are mainly at imposed pressure.
Cette problématique de formation de tels biofilms a été observée dans des applications pétrolières, et documentée par exemple dans la publication « Action of glutaraldehyde and nitrite against sulfate-reducing bacterial biofilms », de Gardner LR, Stewart PS (J.Ind. Microbiol. Biotechnol. (2002) 29 : 354 - 360).This problem of the formation of such biofilms has been observed in petroleum applications, and documented for example in the publication "Action of glutaraldehyde and nitrite against sulfate-reducing bacterial biofilms", by Gardner LR, Stewart PS (J.Ind. Microbiol. Biotechnol (2002) 29:354-360).
Elle a été également documentée dans le cadre de la réinjection d’eau dans des roches poreuses visant une application géothermique, par exemple dans la publication « Biofilm Forming Bacteria during Thermal Water Reinjection », de Máté Osvald, Gergely Maróti, Bernadett Pap, and János Szanyi Geofluids (Indawi Geofluids, Volume 2017, Article ID 9231056, January 2017).It has also been documented in the context of water reinjection into porous rocks for geothermal application, for example in the publication "Biofilm Forming Bacteria during Thermal Water Reinjection", by Máté Osvald, Gergely Maróti, Bernadett Pap, and János Szanyi Geofluids (Indawi Geofluids, Volume 2017, Article ID 9231056, January 2017).
Les techniques expérimentales existantes aux laboratoires pour l’étude du comportement des biofilms en milieu poreux se font généralement à pression imposée pour reproduire le processus naturel. Toutefois, ces techniques se heurtent à la contamination et la croissance de biofilms dans les zones d’injection, réduisant ainsi l’injectivité et pouvant amener à un arrêt de l’écoulement dans le milieu poreux.The existing experimental techniques in laboratories for studying the behavior of biofilms in porous media are generally done under imposed pressure to reproduce the natural process. However, these techniques come up against contamination and the growth of biofilms in the injection zones, thus reducing the injectivity and possibly leading to a stoppage of the flow in the porous medium.
Par ailleurs, bien que les biofilms soient généralement bien connus de l’homme du métier compte tenu de leurs impacts sur les procédés (réduction du débit voir arrêt de l’écoulement), les connaissances sur la création du biofilm, sur sa croissance, sa dégénération et sa résilience aux traitements sont encore balbutiantes.Furthermore, although biofilms are generally well known to those skilled in the art given their impacts on the processes (reduction in flow or even stoppage of flow), knowledge of the creation of the biofilm, its growth, its degeneration and its resilience to treatment are still in their infancy.
La demande de brevet US2012273189 porte sur l’usage sur site de différentes solutions nutritives injectées dans le milieu poreux afin de prévenir la formation de biofilm. Cette technique n’est pas adaptée à l’évaluation en laboratoire du développement et du comportement d’un biofilm dans un milieu poreux.Patent application US2012273189 relates to the on-site use of different nutrient solutions injected into the porous medium in order to prevent the formation of biofilm. This technique is not suitable for the laboratory evaluation of the development and behavior of a biofilm in a porous medium.
On connaît également la publication « Effect of biofilm treatment strategy on the permeability reduction of sands. Geotechnical Special Publication. Zamani A., Phradichith C., Dejong J., Nelson D., Parales R. 2020 » qui concerne la formation d’un biofilm dans un milieu poreux avec un débit imposé par une pompe ou par un écoulement gravitaire.We also know the publication “Effect of biofilm treatment strategy on the permeability reduction of sands. Geotechnical Special Publication. Zamani A., Phradichith C., Dejong J., Nelson D., Parales R. 2020” which concerns the formation of a biofilm in a porous medium with a flow rate imposed by a pump or by gravity flow.
Les publications “Investigating the influence of flow rate on biofilm growth in three dimensions using micro-imaging. Advances in Water Resources. Ostvar S., Iltis G., Davit Y., Schlüter S., Andersson L., Wood B.D., Wildenschild D. 2018.” et “Biofilms in 3D porous media: Delineating the influence of the pore network geometry, flow and mass transfer on biofilm development. Water Research. Carrel M., Morales V.L., Beltran M.A., Derlon N., Kaufmann R., Morgenroth E., Holzner M. 2018.” concernent également la croissance de biofilm à débit imposé, ce qui ne suffit pas pour contrôler la croissance et éviter l’arrêt de l’écoulement.The publications “Investigating the influence of flow rate on biofilm growth in three dimensions using micro-imaging. Advances in Water Resources. Ostvar S., Iltis G., Davit Y., Schlüter S., Andersson L., Wood B.D., Wildenschild D. 2018.” and “Biofilms in 3D porous media: Delineating the influence of the pore network geometry, flow and mass transfer on biofilm development. WaterResearch. Carrel M., Morales V.L., Beltran M.A., Derlon N., Kaufmann R., Morgenroth E., Holzner M. 2018.” also concern the growth of biofilm at an imposed flow rate, which is not sufficient to control the growth and avoid the stoppage of the flow.
L’objectif de l’invention consiste à concevoir un procédé et un dispositif permettant de générer ou d’éliminer totalement ou partiellement un biofilm, de manière contrôlée, en évitant tout risque de réduction d’injectivité et d’arrêt de l’écoulement lié à l’envahissement des lignes d’injections du montage expérimental, permettant ainsi de travailler à pression imposée, donc dans les conditions représentatives de l’application. L’invention ayant alors pour but d’accroître les connaissances sur la création du biofilm dans un milieu poreux, sur sa croissance, sa dégénération et sa résilience dans des conditions représentatives de l’application.The objective of the invention consists in designing a method and a device making it possible to generate or totally or partially eliminate a biofilm, in a controlled manner, while avoiding any risk of reduction of injectivity and stoppage of the flow linked to the flooding of the injection lines of the experimental assembly, thus making it possible to work at imposed pressure, therefore under the conditions representative of the application. The aim of the invention is therefore to increase knowledge on the creation of the biofilm in a porous medium, on its growth, its degeneration and its resilience under conditions representative of the application.
Pour atteindre l’objectif, l’invention concerne un procédé d’analyse du comportement d’un biofilm au sein d’un milieu poreux comprenant au moins les étapes suivantes :
a) on injecte un fluide à une entrée d’une enceinte comprenant le milieu poreux à un débit constant pour générer le biofilm ou pour éliminer au moins partiellement le biofilm dans une zone à proximité de l’entrée, appelée zone d’entrée, le fluide ressortant de l’enceinte à débit constant par une première sortie de l’enceinte en amont du milieu poreux (dans le sens de circulation du fluide dans le milieu poreux), c’est-à-dire sans traverser le milieu poreux. En d’autres termes, le fluide circule à débit constant dans l’enceinte entre l’entrée et la première sortie, en balayant une surface d’entrée du milieu poreux mais sans traverser le milieu poreux. Le fluide « lèche » la surface d’entrée du milieu poreux, et
b) on contrôle un gradient de pression dans le milieu poreux entre l’entrée et une deuxième sortie de l’enceinte de manière à imposer un écoulement dans le milieu poreux à un gradient de pression prédéterminé.To achieve the objective, the invention relates to a method for analyzing the behavior of a biofilm within a porous medium comprising at least the following steps:
a) a fluid is injected at an inlet of an enclosure comprising the porous medium at a constant rate to generate the biofilm or to at least partially eliminate the biofilm in a zone close to the inlet, called the inlet zone, the fluid emerging from the enclosure at constant flow through a first outlet from the enclosure upstream of the porous medium (in the direction of circulation of the fluid in the porous medium), that is to say without passing through the porous medium. In other words, the fluid circulates at a constant rate in the enclosure between the inlet and the first outlet, by sweeping an inlet surface of the porous medium but without passing through the porous medium. The fluid "licks" the inlet surface of the porous medium, and
b) a pressure gradient is controlled in the porous medium between the inlet and a second outlet of the enclosure so as to impose a flow in the porous medium at a predetermined pressure gradient.
L’invention concerne un procédé d’analyse du comportement d’un biofilm au sein d’un milieu poreux comprenant au moins les étapes suivantes :
a) on injecte un fluide à une entrée d’une enceinte comprenant le milieu poreux à un débit constant pour générer le biofilm ou pour éliminer au moins partiellement le biofilm, le fluide pouvant ressortir de l’enceinte par une première sortie de l’enceinte, en amont du milieu poreux, et
b) on contrôle un gradient de pression entre l’entrée et une deuxième sortie de l’enceinte de manière à imposer un écoulement à gradient de pression prédéterminé dans le milieu poreux, la deuxième sortie étant située en aval du milieu poreux.The invention relates to a method for analyzing the behavior of a biofilm within a porous medium comprising at least the following steps:
a) a fluid is injected at an inlet of an enclosure comprising the porous medium at a constant rate to generate the biofilm or to at least partially eliminate the biofilm, the fluid being able to come out of the enclosure via a first outlet of the enclosure , upstream of the porous medium, and
b) a pressure gradient is controlled between the inlet and a second outlet of the enclosure so as to impose a flow at a predetermined pressure gradient in the porous medium, the second outlet being located downstream of the porous medium.
De préférence, on réalise des mesures en ligne en amont et/ou en aval de l’enceinte, de préférence on mesure la viscosité, la teneur en oxygène et/ou la densité.Preferably, on-line measurements are carried out upstream and/or downstream of the enclosure, preferably the viscosity, the oxygen content and/or the density are measured.
Avantageusement, on contrôle le gradient de pression avec une précision inférieure à 10 mbar, de préférence inférieure à 2 mbar.Advantageously, the pressure gradient is controlled with an accuracy of less than 10 mbar, preferably less than 2 mbar.
Selon une variante de l’invention, on contrôle la température de l’enceinte.According to a variant of the invention, the temperature of the enclosure is controlled.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention, on analyse le milieu poreux par scanner aux rayons X.According to a preferred implementation of the invention, the porous medium is analyzed by X-ray scanner.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, l’enceinte est cylindrique et on fait traverser le fluide dans le milieu poreux de manière longitudinale depuis une entrée vers une deuxième sortie longitudinales.According to a first embodiment of the invention, the enclosure is cylindrical and the fluid is passed through the porous medium longitudinally from an inlet to a second longitudinal outlet.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, l’enceinte est cylindrique et on fait traverser le fluide dans le milieu poreux de manière radiale, l’une de l’entrée ou de la deuxième sortie étant axiale et l’autre étant radiale.According to a second embodiment of the invention, the enclosure is cylindrical and the fluid is passed through the porous medium radially, one of the inlet or the second outlet being axial and the other being radial .
L’invention concerne également un dispositif pour l’analyse du comportement des biofilms au sein d’un milieu poreux conçu pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment, le dispositif comprenant une enceinte apte à recevoir le milieu poreux, au moins une entrée pour injecter un fluide dans le dispositif d’analyse, au moins une première et une deuxième sorties pour faire ressortir le fluide du dispositif d’analyse, et un moyen d’injection du fluide pour contrôler un débit d’injection constant et relié à l’enceinte par l’entrée, caractérisé en ce que le dispositif comprend un premier moyen de contrôle de la pression en amont de l’enceinte relié à l’enceinte par la première sortie, un deuxième moyen de contrôle de la pression en aval de l’enceinte relié à l’enceinte par la deuxième sortie et un moyen de commande pour contrôler l’un des deux moyens de contrôle de la pression en fonction de l’autre afin de maintenir un gradient de pression à une valeur prédéterminée, les moyens de contrôle de la pression étant de préférence des vannes de contre-pression.The invention also relates to a device for analyzing the behavior of biofilms within a porous medium designed to implement the method as described above, the device comprising an enclosure capable of receiving the porous medium, at least one inlet for injecting a fluid into the analysis device, at least a first and a second outlet for drawing the fluid out of the analysis device, and a fluid injection means for controlling a constant injection rate and connected to the enclosure by the inlet, characterized in that the device comprises a first pressure control means upstream of the enclosure connected to the enclosure by the first outlet, a second pressure control means downstream of the enclosure connected to the enclosure by the second outlet and control means for controlling one of the two pressure control means as a function of the other in order to maintain a pressure gradient at a predetermined value, the means pressure control valves preferably being back pressure valves.
De préférence, le dispositif comprend une enveloppe thermostatée dans laquelle ladite enceinte est positionnée.Preferably, the device comprises a thermostatically controlled envelope in which said enclosure is positioned.
Avantageusement, ladite enceinte est cylindrique.Advantageously, said enclosure is cylindrical.
Selon une première mise en œuvre de l’invention, ladite entrée et ladite deuxième sortie sont positionnées chacune à une extrémité longitudinale de l’enceinte.According to a first implementation of the invention, said inlet and said second outlet are each positioned at a longitudinal end of the enclosure.
Selon une deuxième mise en œuvre de l’invention, ladite entrée est axiale et ladite deuxième sortie est radiale ou dans lequel ladite entrée est radiale et ladite deuxième sortie est axiale.According to a second implementation of the invention, said inlet is axial and said second outlet is radial or in which said inlet is radial and said second outlet is axial.
De manière préférée, ladite enceinte comprend plusieurs secteurs circonférentiels indépendants pour drainer le milieu poreux et maintenir une pression constante en périphérie.Preferably, said enclosure comprises several independent circumferential sectors to drain the porous medium and maintain a constant pressure at the periphery.
De manière avantageuse, le dispositif comprend des moyens de mesure en ligne, de préférence, les moyens de mesure en ligne comprennent des moyens de mesure de viscosité, de teneur en oxygène, de densité.Advantageously, the device comprises on-line measurement means, preferably the on-line measurement means comprise means for measuring viscosity, oxygen content, density.
Selon une mise en œuvre préférée, le dispositif et/ou ladite enceinte sont en matériau transparent aux rayons X.According to a preferred implementation, the device and/or said enclosure are made of a material transparent to X-rays.
Liste des figuresList of Figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et 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 device and 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.
[Fig 1][Fig 1]
La
[Fig 2][Fig 2]
La
[Fig 3][Fig 3]
La
[Fig 4][Fig 4]
La
On entend par « biofilm » un film ou une couche de biomasse généré par des microorganismes tels que des bactéries ou des champignons. En effet, les microorganismes peuvent s’assembler et former une masse compacte formant un film. Le biofilm peut altérer la perméabilité du milieu poreux (roche réservoir, ciment du casing des puits par exemples) et limiter le débit, voire empêcher totalement l’écoulement de fluide à travers ces milieux.The term "biofilm" means a film or a layer of biomass generated by microorganisms such as bacteria or fungi. Indeed, the microorganisms can assemble and form a compact mass forming a film. The biofilm can alter the permeability of the porous medium (reservoir rock, well casing cement, for example) and limit the flow, or even completely prevent the flow of fluid through these media.
On rappelle également que les bactéries sont des microorganismes unicellulaires et ne sont donc généralement pas organisés en tissus. Chaque bactérie se développe et se divise indépendamment de toute autre bactérie, bien que des agrégats de bactéries, contenant parfois des membres d'espèces différentes, soient fréquemment trouvés. Il existe plusieurs types de bactéries classées en genres et en espèces, qui varient selon leurs formes et leurs couleurs ou mêmes leurs conditions de croissance.It is also recalled that bacteria are unicellular microorganisms and are therefore generally not organized into tissues. Each bacterium grows and divides independently of any other bacterium, although aggregates of bacteria, sometimes containing members of different species, are frequently found. There are several types of bacteria classified into genera and species, which vary according to their shapes and colors or even their growing conditions.
Dans le cadre des exemples mettant en œuvre l’invention, la bactérie «modèle » choisie estEscherichia Coli(E. Coli), notamment parce qu’elle survit à la fois en présence et en absence d’oxygène. Naturellement, l’invention peut s’appliquer à l’étude de toute autre bactérie ou champignon, aérobie ou anaérobie. Elle peut notamment s’appliquer à des bactéries, généralement en mélange (consortium), prélevées directement depuis les roches poreuses souterraines d’intérêt.In the context of the examples implementing the invention, the “model” bacterium chosen is Escherichia Coli ( E. Coli ), in particular because it survives both in the presence and in the absence of oxygen. Naturally, the invention can be applied to the study of any other bacterium or fungus, aerobic or anaerobic. It can in particular apply to bacteria, generally in a mixture (consortium), taken directly from the underground porous rocks of interest.
Les cellules d’E. Colisont généralement en forme de bâtonnets et mesurent environ 2 micromètres de long, avec un diamètre d’environ 0,5 micromètres. E. coli cells are generally rod-shaped and about 2 micrometers long, with a diameter of about 0.5 micrometers.
Dans des conditions optimales, les bactéries peuvent se développer et se diviser extrêmement rapidement. Le temps de division est variable selon le type de bactéries (en minutes, en heures, ou en jours).Under optimal conditions, bacteria can grow and divide extremely quickly. The division time is variable according to the type of bacteria (in minutes, in hours, or in days).
Dans la nature, de nombreux organismes vivent dans des communautés (par exemple des biofilms) qui peuvent permettre un apport accru de nutriments et une protection contre les stress environnementaux. Les organismes contenus dans les biofilms présentent souvent des propriétés très différentes d’un même organisme dans l’état individuel ou dans l’état planctonique. Les bactéries qui se sont agrégées dans des biofilms peuvent donner des informations sur la taille de la population et l'état métabolique.In nature, many organisms live in communities (e.g. biofilms) that can provide increased nutrient supply and protection against environmental stresses. The organisms contained in the biofilms often show very different properties from the same organism in the individual state or in the planktonic state. Bacteria that have aggregated into biofilms can provide information about population size and metabolic status.
En laboratoire, les bactéries sont généralement cultivées dans des milieux solides ou liquides. Des milieux de croissances solides (gélose d'agar), préparés dans des boîtes de pétri sont utilisés pour isoler une souche bactérienne au sein de cultures en mélange. En complément, des milieux de croissance liquides sont aussi utilisés lorsque la mesure de la croissance ou de grands volumes de cellules sont nécessaires. La croissance dans les milieux liquides agités se présente sous forme de suspensions cellulaires souvent uniformes, ce qui facilite la division et le transfert de gaz (notamment d’oxygène) dans le milieu réactionnel des cultures. L'utilisation de milieux sélectifs (milieux contenant des nutriments spécifiques ajoutés ou déficients, ou contenant des antibiotiques) peut aider à identifier et/ou isoler des organismes spécifiques.In the laboratory, bacteria are usually grown in solid or liquid media. Solid growth media (agar agar), prepared in Petri dishes are used to isolate a bacterial strain within mixed cultures. In addition, liquid growth media are also used when growth measurement or large cell volumes are required. Growth in agitated liquid media is in the form of often uniform cell suspensions, which facilitates the division and the transfer of gases (in particular oxygen) in the reaction medium of the cultures. The use of selective media (media containing specific added or deficient nutrients, or containing antibiotics) can help identify and/or isolate specific organisms.
La plupart des techniques de laboratoire pour étudier la croissance des bactéries utilisent des niveaux élevés de nutriments pour produire de grandes quantités de cellules à moindre coût et rapidement. Cependant, dans les environnements naturels, les éléments nutritifs sont limités, ce qui signifie que les bactéries ne peuvent pas se reproduire indéfiniment. Cette limitation en éléments nutritifs a conduit à l’évolution de différentes stratégies de croissance. La croissance bactérienne suit en effet quatre phases, l’entrée pour la première fois dans un environnement riche en nutriments d’une population de bactéries va permettre sa croissance :Most laboratory techniques for studying bacterial growth use high levels of nutrients to produce large quantities of cells cheaply and quickly. However, in natural environments, nutrients are limited, which means that bacteria cannot reproduce indefinitely. This nutrient limitation has led to the evolution of different growth strategies. Bacterial growth indeed follows four phases, the entry for the first time into an environment rich in nutrients of a population of bacteria will allow its growth:
- La première phase I est la phase de latence, une période de croissance lente pendant laquelle les cellules s’adaptent à l’environnement riche en nutriments et à une croissance rapide. La phase de latence est associée à des taux de biosynthèse élevés car les protéines nécessaires à la croissance rapide sont produites.- The first phase I is the lag phase, a period of slow growth during which cells adapt to the nutrient-rich environment and rapid growth. The lag phase is associated with high biosynthetic rates because the proteins necessary for rapid growth are produced.
- La deuxième phase de croissance II est appelée phase exponentielle, marquée par une croissance exponentielle rapide. Au cours de cette phase, chaque bactérie génère deux bactéries filles, par scission binaire, à chaque génération. Un des paramètres physiques liés à cette croissance est le taux de croissance des cellules au cours de ladite phase, et le temps nécessaire pour que les cellules doublent, appelé temps de génération. Au cours de la phase exponentielle, les nutriments sont métabolisés à la vitesse maximale jusqu'à ce que l'un des nutriments soit épuisé et commence à limiter la croissance.- The second growth phase II is called exponential phase, marked by rapid exponential growth. During this phase, each bacterium generates two daughter bacteria, by binary scission, in each generation. One of the physical parameters related to this growth is the growth rate of the cells during said phase, and the time required for the cells to double, called generation time. During the exponential phase, nutrients are metabolized at maximum rate until one of the nutrients is depleted and begins to limit growth.
- La troisième phase de croissance III est la phase stationnaire qui est causée par une carence en nutriments. Les cellules réduisent leur activité métabolique (le nombre de cellules qui apparaissent est égal au nombre de cellules qui disparaissent).- The third growth phase III is the stationary phase which is caused by nutrient deficiency. The cells reduce their metabolic activity (the number of cells that appear is equal to the number of cells that disappear).
- La phase finale IV est la phase de mortalité par épuisement des nutriments.- The final stage IV is the nutrient depletion mortality stage.
Il a été observé que la perméabilité hydraulique d'un matériau poreux peut être réduite jusqu'à trois ou quatre ordres de grandeur en raison de la formation de biofilm au sein de la porosité disponible du matériau. Ainsi, au cours de la phase I de croissance, on a observé que les microorganismes se présentent soit de façon isolée à l’interface « parois des pores – phase liquide », soit en petites colonies. Puis, dans la deuxième phase II, on observe une diminution rapide de la perméabilité, le liquide salin dans les pores est partiellement remplacé par :It has been observed that the hydraulic permeability of a porous material can be reduced by up to three or four orders of magnitude due to the formation of biofilm within the available porosity of the material. Thus, during growth phase I, it has been observed that the microorganisms present either in isolation at the “pore walls – liquid phase” interface, or in small colonies. Then, in the second phase II, a rapid decrease in permeability is observed, the saline liquid in the pores is partially replaced by:
- La présence des corps biologiques : exopolysaccharides (EPS), biofilm ou agrégats de bactéries.- The presence of biological bodies: exopolysaccharides (EPS), biofilm or bacterial aggregates.
- La formation de bulles de gaz provoquées par la saturation excessive de la solution aqueuse en produits gazeux générés par l'activité biologique des micro-organismes, tels que le CO2, le CH4et l’H2S.- The formation of gas bubbles caused by the excessive saturation of the aqueous solution with gaseous products generated by the biological activity of micro-organisms, such as CO 2 , CH 4 and H 2 S.
- La précipitation d'insolubles sous forme de sels, tels que le fer sulfurique formé par des micro-organismes utilisant un anion sulfate comme accepteur d'électrons- The precipitation of insolubles in the form of salts, such as sulfuric iron formed by microorganisms using a sulphate anion as an electron acceptor
- Une combinaison d’au moins deux des composés précédents.- A combination of at least two of the above compounds.
Dans une première hypothèse, appelée «modèle à pores fermés», les pores deviennent complètement bouchés par les biofilms poreux et perméables, et la valeur minimale de la perméabilité du matériau poreux correspond à la perméabilité intrinsèque du biofilm.In a first hypothesis, called “closed pore model”, the pores become completely clogged by the porous and permeable biofilms, and the minimum value of the permeability of the porous material corresponds to the intrinsic permeability of the biofilm.
Dans une deuxième hypothèse, appelée «modèle à pores ouverts», la contrainte de cisaillement exercée par le fluide sur le biofilm provoque le détachement continu des fragments de biofilm et, par conséquent, les pores ne sont jamais complètement bouchés; ici la valeur minimale de la perméabilité du matériau poreux est déterminée par l'équilibre entre croissance et détachement.In a second hypothesis, called the “open-pore model”, the shear stress exerted by the fluid on the biofilm causes the biofilm fragments to continuously detach and, therefore, the pores are never completely plugged; here the minimum value of the permeability of the porous material is determined by the balance between growth and detachment.
Au cours de la dernière phase IV, on observe le rétablissement partiel (à cause de la présence de biofilms qui sont constitués de polymères très visqueux souvent difficiles à balayer en totalité), ou complet de la perméabilité (si un facteur limitant vient arrêter la croissance cellulaire).During the last phase IV, we observe the partial recovery (due to the presence of biofilms which are made up of very viscous polymers often difficult to completely sweep away), or complete recovery of the permeability (if a limiting factor comes to stop the growth cellular).
L’invention concerne un procédé d’analyse du comportement d’un biofilm au sein d’un milieu poreux comprenant au moins les étapes suivantes :
a) on injecte un fluide à une entrée d’une enceinte comprenant le milieu poreux à un débit constant pour générer le biofilm ou pour éliminer au moins partiellement le biofilm, le fluide sortant de l’enceinte par une première sortie en léchant (en balayant) une surface d’entrée du milieu poreux (en d’autres termes, le fluide ne traverse pas le milieu poreux mais circule sur la surface d’entrée à débit constant). On entend par surface d’entrée, une surface du milieu poreux qui est en connection fluidique avec l’entrée de l’enceinte, si bien que le fluide arrivant de l’entrée est en communication avec la surface d’entrée du milieu poreux. Avantageusement, la surface d’entrée est en regard de l’entrée de l’enceinte.The invention relates to a method for analyzing the behavior of a biofilm within a porous medium comprising at least the following steps:
a) a fluid is injected at an inlet of an enclosure comprising the porous medium at a constant rate to generate the biofilm or to at least partially eliminate the biofilm, the fluid leaving the enclosure via a first outlet by licking (by sweeping ) an inlet surface of the porous medium (in other words, the fluid does not cross the porous medium but circulates on the inlet surface at a constant rate). By inlet surface is meant a surface of the porous medium which is in fluidic connection with the inlet of the enclosure, so that the fluid arriving from the inlet is in communication with the inlet surface of the porous medium. Advantageously, the entry surface faces the entry to the enclosure.
Le biofilm est de préférence généré ou éliminé au niveau d’une zone à proximité de l’entrée, dite zone d’entrée, plus précisément dans l’enceinte dans l’espace situé entre l’entrée, la première sortie et la surface d’entrée du milieu poreux.The biofilm is preferably generated or eliminated at the level of a zone close to the entrance, called the entrance zone, more precisely in the enclosure in the space located between the entrance, the first exit and the surface of entrance to the porous medium.
Le fluide injecté peut être une solution aqueuse nutritive des microorganismes (pour favoriser la croissance des microorganismes et ainsi le biofilm dans le milieu poreux). Alternativement, le fluide injecté peut être une solution non aqueuse. Le fluide injecté peut éventuellement aussi comprendre des microorganismes pour générer le biofilm : cette configuration peut être représentative d’une situation réelle avec un fluide « contaminé » par des microorganismes qui peuvent générer involontairement un biofilm dans le milieu poreux. Le fluide injecté peut également être une solution biocide prévue pour détruire les microorganismes à l’origine du biofilm. Ainsi, on peut tester l’efficacité de solutions pour détruire partiellement ou totalement le biofilm. On peut également étudier le comportement du biofilm face à ces différentes solutions.The fluid injected may be an aqueous nutrient solution for the microorganisms (to promote the growth of the microorganisms and thus the biofilm in the porous medium). Alternatively, the injected fluid may be a non-aqueous solution. The injected fluid may also include microorganisms to generate the biofilm: this configuration may be representative of a real situation with a fluid "contaminated" by microorganisms which may involuntarily generate a biofilm in the porous medium. The injected fluid can also be a biocidal solution designed to destroy the microorganisms causing the biofilm. Thus, we can test the effectiveness of solutions to partially or totally destroy the biofilm. It is also possible to study the behavior of the biofilm faced with these different solutions.
Par débit « constant », on entend un débit avec moins de 1% de variation au cours du temps. L’utilisation d’un débit constant permet de faciliter la génération du gradient de pression constant. En effet, avec un débit variable, il faudrait alors ajuster en permanence les pressions ou subir les changements de débits.By “constant” flow rate, we mean a flow rate with less than 1% variation over time. The use of a constant flow facilitates the generation of the constant pressure gradient. Indeed, with a variable flow, it would then be necessary to constantly adjust the pressures or to undergo changes in flow.
Le débit constant peut notamment être obtenu grâce à une pompe. Et
b) on contrôle un gradient de pression dans le milieu poreux, entre l’entrée et une deuxième sortie de l’enceinte contenant le milieu poreux de manière à imposer un écoulement à gradient de pression prédéterminé dans ce milieu poreux. La deuxième sortie est située en aval du milieu poreux. Ainsi, le fluide circule de l’entrée à la deuxième sortie en traversant le milieu poreux. En d’autres termes, on conserve un gradient de pression à une valeur prédéterminée dans le milieu poreux entre l’entrée et la deuxième sortie du fluide dans l’enceinte, dans le sens de circulation du fluide (entre l’amont et l’aval du milieu poreux).The constant flow can in particular be obtained thanks to a pump. And
b) a pressure gradient is controlled in the porous medium, between the inlet and a second outlet of the enclosure containing the porous medium so as to impose a flow at a predetermined pressure gradient in this porous medium. The second outlet is located downstream of the porous medium. Thus, the fluid circulates from the inlet to the second outlet while crossing the porous medium. In other words, a pressure gradient is maintained at a predetermined value in the porous medium between the inlet and the second outlet of the fluid in the enclosure, in the direction of circulation of the fluid (between the upstream and the downstream of the porous medium).
Le maintien d’un gradient de pression permet d’étudier les phénomènes dans des conditions représentatives des applications. L’écoulement à un débit imposé suffisant dans la zone d’entrée, en amont du milieu poreux (ne traversant pas le milieu poreux), c’est-à-dire entre l’entrée de l’enceinte et la première sortie de l’enceinte, en balayant la surface d’entrée du milieu poreux, permet d’éviter la création de biofilm dans la zone d’injection en générant des efforts de cisaillement permettant d’empêcher l’installation d’un biofilm ou de le rompre le cas échéant, et ce, tout en maintenant un débit et donc un gradient de cisaillement suffisamment bas dans le milieu poreux pour y permettre la création du biofilm. L’invention permet de faire varier le gradient de pression pour étudier l’effet du gradient de cisaillement dans le milieu poreux sur le biofilm.Maintaining a pressure gradient makes it possible to study phenomena under conditions representative of applications. The flow at a sufficient imposed rate in the inlet zone, upstream of the porous medium (not passing through the porous medium), that is to say between the inlet of the enclosure and the first outlet of the enclosure, by sweeping the entry surface of the porous medium, makes it possible to avoid the creation of biofilm in the injection zone by generating shearing forces making it possible to prevent the installation of a biofilm or to break it if necessary, and this, while maintaining a flow rate and therefore a sufficiently low shear gradient in the porous medium to allow the creation of the biofilm there. The invention makes it possible to vary the pressure gradient to study the effect of the shear gradient in the porous medium on the biofilm.
Le procédé de l’invention est adapté pour être mis en place dans un laboratoire et a notamment pour objectif de participer à la compréhension des phénomènes à l’origine de la création d’un biofilm dans un milieu poreux, à sa croissance dans ce milieu poreux, à sa dégénération et à sa résilience. Ces compréhensions serviront ultérieurement à contrôler la création ou la croissance de biofilms dans des milieux poreux réels naturels (par exemple des réservoirs rocheux, des sables) ou artificiels (par exemple, la cimentation de puits d’injection/production) ou à permettre plus facilement leur destruction dans ces mêmes milieux.The method of the invention is adapted to be implemented in a laboratory and has the particular objective of participating in the understanding of the phenomena at the origin of the creation of a biofilm in a porous medium, its growth in this medium. porous, to its degeneration and resilience. These understandings will later be used to control the creation or growth of biofilms in real natural (e.g. rock reservoirs, sands) or man-made (e.g. injection/production well cementing) porous media or to more easily allow their destruction in these same environments.
Les milieux poreux utilisés peuvent être consolidés ou inconsolidés.The porous media used can be consolidated or unconsolidated.
On entend par « milieu poreux consolidés » un milieu poreux formé par un solide constitué de pores.The term “consolidated porous medium” means a porous medium formed by a solid consisting of pores.
On entend par « milieu poreux inconsolidé » un milieu poreux formé par un assemblage de grains solides non reliés entre eux ce qui rend un écoulement des grains solides possibles. Le sable est un exemple de milieu poreux inconsolidé.The term "unconsolidated porous medium" means a porous medium formed by an assembly of solid grains not connected to each other, which makes a flow of the solid grains possible. Sand is an example of an unconsolidated porous medium.
La pression en sortie de l’enceinte est de préférence inférieure ou égale à 20 bar pour faciliter les expérimentations.The pressure at the outlet of the enclosure is preferably less than or equal to 20 bar to facilitate experimentation.
De plus, la température peut être avantageusement comprise entre 13° et 100°C pour permettre des conditions de vie favorables aux microorganismes et à leur développement.In addition, the temperature may advantageously be between 13° and 100° C. to allow favorable living conditions for microorganisms and their development.
Avantageusement, le fluide peut comprendre de la saumure.Advantageously, the fluid can comprise brine.
Par définition, la saumure est une solution d’eau salée faite généralement avec du chlorure de sodium (NaCl), mais on peut utiliser d’autres types de sel. La concentration en sel peut être faible ou saturée, suivant le type d’étude à réaliser. Dans le cadre de l’invention, l’exemple de saumure utilisée est constitué de NaCl dans de l’eau, à la concentration de 10 g/l afin de se rapprocher des conditions réelles.By definition, brine is a salt water solution usually made with sodium chloride (NaCl), but other types of salt can be used. The salt concentration can be low or saturated, depending on the type of study to be carried out. In the context of the invention, the example of brine used consists of NaCl in water, at a concentration of 10 g/l in order to approximate real conditions.
Selon une configuration de l’invention, le fluide peut comprendre un milieu de culture (aussi appelé « solution nutritive ») composé d’un mélange de substrats nutritifs (acides aminés, peptides, bases nucléiques, sucres, etc.), d’un système tampon pour éviter les variations importantes du pH, de sels minéraux et de vitamines.According to one configuration of the invention, the fluid can comprise a culture medium (also called "nutrient solution") composed of a mixture of nutrient substrates (amino acids, peptides, nucleic bases, sugars, etc.), of a buffer system to avoid significant variations in pH, mineral salts and vitamins.
Le milieu dit « Luria Broth » est un milieu très riche en substrats (carbone, protéines, azote, extrait de levure). Sa composition après dissolution dans l’eau est la suivante : Tryptone 10 g/l, extrait de levure 5g/l, NaCl 10 g/l, le pH de la phase liquide est ajusté à environ 7.The medium called “Luria Broth” is a medium very rich in substrates (carbon, proteins, nitrogen, yeast extract). Its composition after dissolution in water is as follows: Tryptone 10 g/l, yeast extract 5 g/l, NaCl 10 g/l, the pH of the liquid phase is adjusted to around 7.
Le milieu dit « Fouad » modifié par l’Institut Pasteur est un milieu adapté à l’enrichissement en entérobactéries commeEscherichia Coli, sa composition dans l’eau est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous :The so-called "Fouad" medium modified by the Pasteur Institute is a medium suitable for enrichment with enterobacteriaceae such as Escherichia Coli , its composition in water is indicated in table 1 below:
Ce milieu est contraint en azote, pour mieux représenter des conditions réelles. Le milieu de culture FOUAD non contraint en azote peut contenir jusqu’à 0,5 g/l d’extrait de levure (soit environ 100 fois plus que dans le milieu préconisé ici).This medium is constrained in nitrogen, to better represent real conditions. The non-nitrogen-constrained FOUAD culture medium can contain up to 0.5 g/l of yeast extract (i.e. approximately 100 times more than in the medium recommended here).
Le couple K2HPO4/KH2PO4joue un rôle de tampon afin de réguler le pH autour de la valeur du pH choisi, ici autour de 6,8.The K 2 HPO 4 /KH 2 PO 4 couple acts as a buffer in order to regulate the pH around the chosen pH value, here around 6.8.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le fluide peut contenir un ou plusieurs biocides tels que :According to one implementation of the invention, the fluid may contain one or more biocides such as:
- Le THPS: Tetrakis (Hydroxymethyl) Phosphonium Sulfate est un microbicide utilisé pour le traitement de l'eau, pouvant inhiber la croissance microbienne de la plupart des micro-organismes aérobies, des microorganismes formant un biofilm dans les processus de récupération assistée du pétrole, des systèmes de production et d'injection d'eau dans les puits souterrains. On a montré que dès 60 ppm (mg/l) et en conditions planctoniques, le THPS a une action très efficace sur la croissance microbienne des bactéries sulfato-réductrices et méthanogènes. Le THPS se caractérise par son faible point de solidité et sa bonne stabilité, il peut se dissoudre facilement dans l’eau et se conserve longtemps.- THPS: Tetrakis (Hydroxymethyl) Phosphonium Sulfate is a microbicide used for water treatment, which can inhibit microbial growth of most aerobic microorganisms, biofilm-forming microorganisms in enhanced oil recovery processes, systems for producing and injecting water into underground wells. It has been shown that from 60 ppm (mg/l) and in planktonic conditions, THPS has a very effective action on the microbial growth of sulphate-reducing and methanogenic bacteria. THPS is characterized by its low solidity point and good stability, it can dissolve easily in water and has a long storage life.
- Le DBNPA : 2,2-dibromo-3-nitrilopropionamide : à 200 ppm (parties par millions), le DBNPA a un effet bactéricide sur toutes les bactéries en culture libre, le temps de réaction pour ce type de biocide est assez court (10 minutes).- DBNPA: 2,2-dibromo-3-nitrilopropionamide: at 200 ppm (parts per million), DBNPA has a bactericidal effect on all bacteria in free culture, the reaction time for this type of biocide is quite short ( 10 minutes).
- Le Glutaraldéhyde (ou Pentane-1,5-dial) est utilisé dans plusieurs domaines d’application, c’est un produit très stable (pour un pH compris entre 4 et 7). En milieu de culture libre, il inhibe de façon instantanée toutes les bactéries présentes pour une concentration à 1000 ppm.- Glutaraldehyde (or Pentane-1,5-dial) is used in several fields of application, it is a very stable product (for a pH between 4 and 7). In free culture medium, it instantly inhibits all the bacteria present for a concentration of 1000 ppm.
Les biocides peuvent, selon le type et la concentration utilisée, avoir un effet bactériostatique (inhibition partielle ou totale de la multiplication) ou bactéricide (mort des bactéries).Biocides can, depending on the type and concentration used, have a bacteriostatic (partial or total inhibition of multiplication) or bactericidal (death of bacteria) effect.
Afin d’avoir une meilleure approche du choix de biocide ainsi que de la concentration et de la quantité minimale à mettre en œuvre pour prévenir et stopper les mécanismes d'encrassement lors de la croissance de biofilm dans des matériaux poreux, on peut procéder selon l’invention à une étude de la croissance bactérienne en milieu poreux puis de son évolution sous l’effet d’un biocide.In order to have a better approach to the choice of biocide as well as the concentration and the minimum quantity to be implemented to prevent and stop the fouling mechanisms during the growth of biofilm in porous materials, one can proceed according to the invention to a study of bacterial growth in a porous medium and then of its evolution under the effect of a biocide.
Dans une configuration avantageuse de l’invention, on peut réaliser des mesures en ligne en amont (avant l’entrée du fluide dans l’enceinte) et/ou en aval (après la première et/ou la deuxième sorties du fluide de l’enceinte ) de l’enceinte. Ces mesures en ligne permettent d’accéder à différentes informations du fluide avant son passage dans l’enceinte ou après son passage, notamment sa composition. On peut par exemple avantageusement mesurer la viscosité, la teneur en oxygène, en dioxyde de carbone (CO2), en hydrogène et/ou en sulfure d’hydrogène (H2S) du fluide, le pH, la conductimétrie, la teneur en glucose et/ou la densité. Toutes ces mesures permettent de suivre l’activité bactérienne et ses modifications. La différence de viscosité ou de densité entre l’entrée et la sortie de l’enceinte permettent d’identifier la présence de biofilm, et/ou d’EPS dans le fluide, ainsi que l’évolution de la composition des fluides injectés lors de leur passage dans le milieu poreux et ainsi d’évaluer la quantité de biofilm qui peut être présente dans le milieu poreux. La teneur en oxygène permet d’évaluer la croissance et la présence des microorganismes, notamment des microorganismes aérobies, dans le milieu poreux. En effet, si la teneur en oxygène entre l’entrée du fluide et sa sortie a diminué, on peut s’attendre à ce que les microorganismes aérobies aient consommé l’oxygène pour se reproduire. Ainsi, ce peut être le signe d’une croissance de biofilm. Il en va de même du suivi du dioxyde de carbone (CO2), de l’hydrogène et/ou du sulfure d’hydrogène (H2S) du fluide, du pH, de la conductimétrie, et de la teneur en glucose qui permettent de suivre le métabolisme des bactéries et du biofilm.In an advantageous configuration of the invention, it is possible to carry out online measurements upstream (before the entry of the fluid into the enclosure) and/or downstream (after the first and/or the second exits of the fluid from the enclosure ) of the enclosure. These online measurements make it possible to access various information about the fluid before it passes through the enclosure or after it passes through, in particular its composition. One can for example advantageously measure the viscosity, the content of oxygen, carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen and/or hydrogen sulphide (H 2 S) of the fluid, the pH, the conductimetry, the content of glucose and/or specific gravity. All these measurements make it possible to follow the bacterial activity and its modifications. The difference in viscosity or density between the inlet and the outlet of the enclosure makes it possible to identify the presence of biofilm, and/or EPS in the fluid, as well as the evolution of the composition of the fluids injected during their passage through the porous medium and thus to assess the quantity of biofilm which may be present in the porous medium. The oxygen content makes it possible to evaluate the growth and the presence of microorganisms, in particular aerobic microorganisms, in the porous medium. Indeed, if the oxygen content between the inlet of the fluid and its outlet has decreased, it can be expected that the aerobic microorganisms have consumed the oxygen to reproduce. Thus, it may be a sign of biofilm growth. The same applies to the monitoring of carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen and/or hydrogen sulphide (H 2 S) of the fluid, the pH, the conductimetry, and the glucose content which make it possible to follow the metabolism of bacteria and biofilm.
Selon un variante de l’invention, on peut travailler en conditions d’injection à débit constant dans le milieu poreux, ne contrôlant ainsi plus seulement l’envahissement des zones d’injections de fluides, ce qui peut permettre d’étudier certains cas particuliers d’envahissement des puits injecteurs par des biofilms.According to a variant of the invention, it is possible to work under constant flow rate injection conditions in the porous medium, thus no longer controlling only the invasion of the fluid injection zones, which can make it possible to study certain particular cases. invasion of injection wells by biofilms.
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut contrôler la température de l’enceinte, la température des milieux d’applications étant souvent constante car contrôlée par le gradient géothermique. De plus ce paramètre est susceptible d’intervenir dans la croissance ou la dégénération du biofilm. Ainsi, il est intéressant de pouvoir évaluer son effet.According to one implementation of the invention, the temperature of the enclosure can be controlled, the temperature of the application media often being constant because it is controlled by the geothermal gradient. In addition, this parameter is likely to intervene in the growth or degeneration of the biofilm. Thus, it is interesting to be able to evaluate its effect.
De préférence, on peut analyser le milieu poreux par scanner aux rayons X. Cette mesure par scanner permet de visualiser la création, la croissance ou la dégénération du biofilm dans le milieu poreux en temps réel. Elle participe ainsi à mieux comprendre les phénomènes liés au biofilm.Preferably, the porous medium can be analyzed by X-ray scanner. This measurement by scanner makes it possible to visualize the creation, the growth or the degeneration of the biofilm in the porous medium in real time. It thus contributes to a better understanding of the phenomena linked to biofilm.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, l’enceinte peut être cylindrique (et le milieu poreux peut être cylindrique aussi) et on peut faire traverser le fluide dans le milieu poreux de manière longitudinale depuis une entrée vers une deuxième sortie longitudinales, de préférence sur l’axe de l’enceinte. Ce premier mode de réalisation est simple et rapide à mettre en œuvre et permet d’étudier les phénomènes liés au biofilm.According to a first embodiment of the invention, the enclosure can be cylindrical (and the porous medium can also be cylindrical) and the fluid can be passed through the porous medium longitudinally from an inlet to a second longitudinal outlet, preferably on the axis of the enclosure. This first embodiment is simple and quick to implement and makes it possible to study phenomena related to biofilm.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, l’enceinte peut être cylindrique (et le milieu poreux peut être cylindrique ou annulaire doté d’un trou axial) et on peut faire traverser le fluide dans le milieu poreux de manière radiale, l’une de l’entrée ou de la deuxième sortie étant axiale et l’autre étant radiale. Cette configuration d’un écoulement radial est proche de l’écoulement réel dans un milieu rocheux, pour l’injection ou l’extraction de gaz tel que le CO2dans un réservoir pétrolier par exemple.According to a second embodiment of the invention, the enclosure can be cylindrical (and the porous medium can be cylindrical or annular provided with an axial hole) and the fluid can be passed through the porous medium radially, the one of the inlet or the second outlet being axial and the other being radial. This configuration of a radial flow is close to the real flow in a rocky environment, for the injection or the extraction of gas such as CO 2 in an oil reservoir for example.
En outre, l’invention concerne également un dispositif d’analyse du comportement des biofilms au sein d’un milieu poreux (consolidé ou inconsolidé) conçu pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment. Le dispositif comprend une enceinte apte à recevoir le milieu poreux, au moins une entrée pour injecter un fluide dans le dispositif d’analyse, au moins deux sorties pour faire ressortir le fluide du dispositif d’analyse. La première sortie est positionnée en amont du milieu poreux, c’est-à-dire que la première sortie est configurée de manière à ce que le fluide circule de l’entrée vers la première sortie sans traverser le milieu poreux, seulement en balayant une surface d’entrée du milieu poreux. La deuxième sortie est positionnée en aval du milieu poreux. En d’autres termes, la deuxième sortie est configurée de manière à ce que le fluide circule de l’entrée vers la deuxième sortie en traversant le milieu poreux. Ainsi, le fluide peut traverser le milieu poreux depuis l’entrée de l’enceinte vers la deuxième sortie de l’enceinte, mais aussi passer sur la surface d’entrée du milieu poreux et ressortir de l’enceinte par la première sortie sans traverser le milieu poreux (en restant en amont du milieu poreux). De plus, le dispositif comprend un moyen d’injection du fluide pour contrôler un débit d’injection constant. Le moyen d’injection du fluide peut être une pompe configurée pour assurer un débit d’injection constant (variation de débit inférieure à 1% de la consigne). Le moyen d’injection du fluide est relié à l’entrée de l’enceinte. De plus, le dispositif comprend un premier moyen de contrôle de la pression en amont du milieu poreux, dans le sens de circulation du fluide, un deuxième moyen de contrôle de la pression en aval du milieu poreux, dans le sens de circulation du fluide. Le premier moyen de contrôle de la pression est relié à la première sortie de l’enceinte et le deuxième moyen de contrôle de la pression est relié à la deuxième sortie de l’enceinte. De plus, le dispositif comprend également un moyen de commande pour contrôler l’un des deux moyens de contrôle de la pression en fonction de l’autre afin de maintenir un gradient de pression à une valeur prédéterminée le long du milieu poreux. Les moyens de contrôle de la pression ont pour rôle de prédéfinir une pression en entrée du milieu poreux (en amont du milieu poreux dans le sens de circulation du fluide dans l’enceinte) et en sortie du milieu poreux (en aval du milieu poreux dans le sens de circulation du fluide dans l’enceinte) et ainsi, un gradient de pression aux bornes du milieu poreux. En réglant la pression d’au moins l’un des moyens de contrôle par rapport à la pression de l’autre des moyens de contrôle de la pression, on peut définir un gradient de pression au sein du milieu poreux pour contrôler la croissance ou la dégénération du biofilm. Les moyens de contrôle de la pression sont de préférence des vannes de contre-pression.In addition, the invention also relates to a device for analyzing the behavior of biofilms within a porous medium (consolidated or unconsolidated) designed to implement the method as described above. The device comprises an enclosure capable of receiving the porous medium, at least one inlet for injecting a fluid into the analysis device, at least two outlets for bringing out the fluid from the analysis device. The first outlet is positioned upstream of the porous medium, i.e. the first outlet is configured so that the fluid flows from the inlet to the first outlet without crossing the porous medium, only by sweeping a entry surface of the porous medium. The second outlet is positioned downstream of the porous medium. In other words, the second outlet is configured so that the fluid flows from the inlet to the second outlet through the porous medium. Thus, the fluid can pass through the porous medium from the inlet of the enclosure to the second outlet of the enclosure, but also pass over the inlet surface of the porous medium and exit from the enclosure via the first outlet without crossing the porous medium (while remaining upstream of the porous medium). In addition, the device comprises a fluid injection means for controlling a constant injection rate. The fluid injection means can be a pump configured to ensure a constant injection flow rate (flow rate variation less than 1% of the setpoint). The fluid injection means is connected to the inlet of the enclosure. In addition, the device comprises a first means for controlling the pressure upstream of the porous medium, in the direction of circulation of the fluid, a second means for controlling the pressure downstream of the porous medium, in the direction of circulation of the fluid. The first pressure control means is connected to the first outlet of the enclosure and the second pressure control means is connected to the second outlet of the enclosure. Furthermore, the device also comprises control means for controlling one of the two pressure control means as a function of the other in order to maintain a pressure gradient at a predetermined value along the porous medium. The pressure control means have the role of predefining a pressure at the inlet of the porous medium (upstream of the porous medium in the direction of circulation of the fluid in the enclosure) and at the outlet of the porous medium (downstream of the porous medium in the direction of circulation of the fluid in the enclosure) and thus, a pressure gradient at the terminals of the porous medium. By adjusting the pressure of at least one of the control means with respect to the pressure of the other of the pressure control means, it is possible to define a pressure gradient within the porous medium to control the growth or the biofilm degeneration. The pressure control means are preferably back pressure valves.
La
La
La vanne de contre-pression 40 comprend une entrée 41 de fluide à une pression P et une sortie 43 de fluide à une pression Q. La vanne de contre-pression 40 comprend une pièce mobile 46, comme un piston mobile selon une translation dans la vanne de contre-pression, la translation étant matérialisée sur le schéma a) de la
La pièce mobile 46 comprend un boisseau 42.The moving part 46 comprises a bushel 42.
Lorsque la vanne de contre-pression 40 est fermée comme représentée sur le schéma b), la pièce mobile est en appui sur le siège 45 qui est fixe. Le siège 45 comprend un creux 44, le creux 44 étant apte à recevoir le boisseau 42 de la pièce mobile 46 de manière à assurer une liaison étanche en position fermée.When the counter-pressure valve 40 is closed as shown in diagram b), the moving part rests on the seat 45 which is fixed. The seat 45 comprises a recess 44, the recess 44 being adapted to receive the plug 42 of the movable part 46 so as to ensure a sealed connection in the closed position.
A l’arrière de la pièce mobile 46, un fluide tel qu’un gaz est mis en place dans la chambre 47. La pression Pg du fluide de la chambre 47 permet d’assurer le contrôle de la pression.At the rear of the moving part 46, a fluid such as a gas is placed in the chamber 47. The pressure Pg of the fluid in the chamber 47 makes it possible to control the pressure.
En effet, lorsque la pression Pg du fluide de la chambre 47 est supérieure au fluide de contre-pression Q en sortie 43 de la vanne de contre-pression 40, la pièce mobile 46 appuie sur son siège et la vanne de contre-pression 40 est fermée et étanche.Indeed, when the pressure Pg of the fluid in the chamber 47 is greater than the counter-pressure fluid Q at the outlet 43 of the counter-pressure valve 40, the moving part 46 presses on its seat and the counter-pressure valve 40 is closed and sealed.
Au contraire, lorsque la pression Q en sortie 43 de la vanne de contre-pression 40 est supérieure à la pression Pg du fluide de la chambre 47, la vanne de contre-pression 40 s’ouvre, la pièce mobile 46 étant translatée vers le haut. Ainsi, la pression P et la pression Q sont sensiblement à la pression Pg.On the contrary, when the pressure Q at the outlet 43 of the counter-pressure valve 40 is greater than the pressure Pg of the fluid in the chamber 47, the counter-pressure valve 40 opens, the movable part 46 being translated towards the high. Thus, the pressure P and the pressure Q are substantially at the pressure Pg.
En réglant la valeur de la pression Pg à une valeur prédéterminée, on peut alors contrôler la pression constante à la valeur de consigne, et ce de manière précise.By adjusting the value of the pressure Pg to a predetermined value, it is then possible to control the constant pressure at the set value, and this in a precise manner.
Pour régler la valeur de pression, on peut utiliser un élément élastique comme un ressort ou bien on peut faire varier le volume de la chambre 47 pour augmenter ou réduire la pression Pg de la chambre 47.To adjust the pressure value, an elastic element such as a spring can be used or the volume of the chamber 47 can be varied to increase or reduce the pressure Pg of the chamber 47.
Avantageusement, le dispositif peut comprendre une enveloppe thermostatée dans laquelle ladite enceinte est positionnée. Ainsi, on peut contrôler la température de l’enceinte et donc du milieu poreux ce qui permet de se positionner dans les conditions de température de l’application visée et/ou d’évaluer l’impact de la température sur la génération ou la dégénération de biofilm dans le milieu poreux.Advantageously, the device can comprise a thermostatically controlled envelope in which said enclosure is positioned. Thus, it is possible to control the temperature of the enclosure and therefore of the porous medium, which makes it possible to position oneself under the temperature conditions of the intended application and/or to evaluate the impact of the temperature on the generation or the degeneration of biofilm in the porous medium.
De préférence, l’enceinte est cylindrique ce qui permet d’avoir une répartition du fluide homogène dans l’enceinte. Avantageusement, le milieu poreux est cylindrique ou annulaire, et coaxial de l’enceinte ce qui permet d’avoir une répartition du fluide homogène dans le milieu poreux. De plus, la forme cylindrique ou annulaire est facile à réaliser. La forme annulaire est adaptée à une traversée radiale du fluide dans le milieu poreux. La forme cylindrique du milieu poreux est plutôt adaptée à une traversée longitudinale du milieu poreux.Preferably, the enclosure is cylindrical, which makes it possible to have a homogeneous distribution of the fluid in the enclosure. Advantageously, the porous medium is cylindrical or annular, and coaxial with the enclosure, which makes it possible to have a homogeneous distribution of the fluid in the porous medium. In addition, the cylindrical or annular shape is easy to achieve. The annular shape is suitable for radial crossing of the fluid in the porous medium. The cylindrical shape of the porous medium is more suitable for longitudinal crossing of the porous medium.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, l’entrée et la deuxième sortie peuvent être positionnées chacune à une extrémité longitudinale de l’enceinte et donc du milieu poreux. De ce fait, le système est conçu de manière à ce que le fluide traverse le milieu poreux longitudinalement, ce qui est simple à réaliser.According to a first embodiment of the invention, the inlet and the second outlet can each be positioned at a longitudinal end of the enclosure and therefore of the porous medium. Therefore, the system is designed so that the fluid crosses the porous medium longitudinally, which is simple to achieve.
Selon un deuxième mode de réalisation, l’entrée peut être axiale et la deuxième sortie peut être radiale ou bien l’entrée peut être radiale et la deuxième sortie peut être radiale. Dans cette configuration, le milieu poreux peut comprendre un trou axial formant une zone d’entrée pour introduire le fluide au centre du milieu poreux ou lui permettre sa deuxième sortie du milieu poreux. Pour cela, le milieu poreux peut être avantageusement de forme annulaire. Dans ce mode de réalisation, la traversée du fluide dans le milieu poreux se fait radialement, et qui est donc plus proche de la réalité d’injection dans des puits pétroliers, des aquifères et autres réservoirs souterrains.According to a second embodiment, the inlet can be axial and the second outlet can be radial or else the inlet can be radial and the second outlet can be radial. In this configuration, the porous medium may comprise an axial hole forming an entry zone to introduce the fluid into the center of the porous medium or allow it to exit the porous medium for the second time. For this, the porous medium can advantageously be annular in shape. In this embodiment, the crossing of the fluid in the porous medium is done radially, and which is therefore closer to the reality of injection into oil wells, aquifers and other underground reservoirs.
De préférence, l’enceinte peut comprendre plusieurs secteurs circonférentiels indépendants juxtaposés sur la périphérie externe circonférentielle du milieu poreux. Ces secteurs circonférentiels ont pour but de drainer le milieu poreux et de maintenir une pression constante en périphérie, cette pression périphérique peut être représentative de la pression existante dans un réservoir souterrain.Preferably, the enclosure can comprise several independent circumferential sectors juxtaposed on the outer circumferential periphery of the porous medium. The purpose of these circumferential sectors is to drain the porous medium and to maintain a constant pressure at the periphery, this peripheral pressure can be representative of the pressure existing in an underground reservoir.
La
La périphérie externe du milieu poreux est juxtaposée à une paroi cylindrique 20 ici composée de quatre secteurs 21, 22, 23 et 24 d’environ 90° chacun. Ces secteurs 21, 22, 23 et 24 peuvent avoir des propriétés de drainage différentes ou identiques. Ainsi, on peut drainer l’échantillon de différentes manières sur chacun des secteurs 21 à 24 et on peut maintenir une pression en périphérie différente sur chaque secteur 21 à 24.The outer periphery of the porous medium is juxtaposed with a cylindrical wall 20 here composed of four sectors 21, 22, 23 and 24 of approximately 90° each. These sectors 21, 22, 23 and 24 can have different or identical drainage properties. Thus, the sample can be drained in different ways on each of the sectors 21 to 24 and a different peripheral pressure can be maintained on each sector 21 to 24.
L’exemple de la
Les secteurs 21 à 24 peuvent avantageusement être connectables ou séparables pour orienter les flux.The sectors 21 to 24 can advantageously be connectable or separable to direct the flows.
Avantageusement, le dispositif peut comprendre des moyens de mesure en ligne sur une première conduite reliant le moyen d’injection de fluide à l’entrée de l’enceinte et/ou sur une deuxième conduite reliant la deuxième sortie de l’enceinte au deuxième moyen de contrôle de la pression et/ou sur une troisième conduite reliant le premier moyen de contrôle de la pression à une première sortie de l’enceinte. Les moyens de mesure en ligne permettent de mesurer des paramètres de fluide en amont et/ou en aval de l’enceinte (amont et aval s’entendant dans le sens de circulation du fluide) de manière à ajuster ses paramètres et ainsi à contrôle le biofilm. Notamment, on peut comparer les données des mesures en ligne en amont et en aval pour évaluer le taux d’envahissement de biofilm dans le milieu poreux.Advantageously, the device can comprise means of measurement in line on a first pipe connecting the fluid injection means to the inlet of the enclosure and/or on a second pipe connecting the second outlet of the enclosure to the second means. pressure control and / or on a third pipe connecting the first pressure control means to a first outlet of the enclosure. The on-line measurement means make it possible to measure fluid parameters upstream and/or downstream of the enclosure (upstream and downstream being understood in the direction of circulation of the fluid) so as to adjust its parameters and thus to control the biofilm. In particular, data from upstream and downstream online measurements can be compared to assess the rate of biofilm invasion in the porous medium.
De préférence, les moyens de mesure en ligne peuvent comprendre des moyens de mesure de viscosité, de teneur en oxygène, en hydrogène, en dioxyde de carbone, en sulfure d’hydrogène et/ou en glucose, de pH, de conductimétrie, de pression, de température et/ou de densité qui permettent de connaître certains caractéristiques du biofilm.Preferably, the on-line measuring means may comprise means for measuring viscosity, oxygen, hydrogen, carbon dioxide, hydrogen sulphide and/or glucose, pH, conductimetry, pressure , temperature and/or density which allow us to know certain characteristics of the biofilm.
A ce titre, les moyens de mesure en ligne peuvent comprendre un pH-mètre, un conductimètre, un viscosimètre, des capteurs de pression et/ou de température et des analyseurs pour connaître au moins partiellement la composition. Le conductimètre permet d’avoir accès au volume poral d’un milieu poreux par tracé de l’évolution temporelle des concentrations d’ions dans le milieu (mesure de la conductivité électrique). L’unité SI de mesure de la conductivité est le Siemens par mètre (S/m), la conductivité peut aussi s’exprimer en milliSiemens par centimètre (mS/cm).As such, the on-line measurement means can comprise a pH meter, a conductivity meter, a viscometer, pressure and/or temperature sensors and analyzers to at least partially know the composition. The conductivity meter provides access to the pore volume of a porous medium by plotting the temporal evolution of the concentrations of ions in the medium (measurement of electrical conductivity). The SI unit for measuring conductivity is Siemens per meter (S/m), conductivity can also be expressed in milliSiemens per centimeter (mS/cm).
De plus, à partir de la collecte des fluides produits, on peut déterminer les caractéristiques rhéologiques du fluide d’injection en utilisant un viscosimètre avec par exemple différents types de couples rotor-stator de géométrie «Couette». Ce viscosimètre est composé de deux cylindres concentriques : le cylindre intérieur est fixe (stator) tandis que le cylindre extérieur est mobile (rotor). L’entrefer, situé entre les deux cylindres, reçoit le fluide (porté à la température d’expérimentation). La viscosité du fluide est obtenue par mesure de la contrainte nécessaire au cylindre intérieur pour s’opposer au mouvement de rotation du fluide.In addition, from the collection of the fluids produced, it is possible to determine the rheological characteristics of the injection fluid using a viscometer with, for example, different types of rotor-stator couples with “Couette” geometry. This viscometer is made up of two concentric cylinders: the inner cylinder is fixed (stator) while the outer cylinder is mobile (rotor). The air gap, located between the two cylinders, receives the fluid (brought to the experimental temperature). The viscosity of the fluid is obtained by measuring the stress necessary for the inner cylinder to oppose the rotational movement of the fluid.
Afin de caractériser la croissance bactérienne et son activité, les moyens de mesure en ligne peuvent comprendre des appareils analytiques utilisés pour l’analyse des solutions réactionnelles:In order to characterize bacterial growth and its activity, the means of online measurement may include analytical devices used for the analysis of reaction solutions:
- une sonde enzymatique de mesure de glucose GM10, pour la détermination des vitesses d’assimilation du glucose parE. Colidurant notre étude, cet appareil permet de contrôler la concentration en glucose (substrat bactérien) des solutions nutritives avant injection et au cours de la croissance des micro-organismes- an enzymatic probe for measuring glucose GM10, for determining the speed of glucose assimilation by E. Coli during our study, this device makes it possible to control the concentration of glucose (bacterial substrate) in nutrient solutions before injection and during the growth of microorganisms
- un spectrophotomètre « Shimadzu » permet de déterminer la concentration cellulaire des bactéries en solution, et ainsi d’accéder à la quantité de micro-organismes s en solution par mesure de la densité optique à 600 nanomètres.- a "Shimadzu" spectrophotometer makes it possible to determine the cell concentration of bacteria in solution, and thus to access the quantity of microorganisms in solution by measuring the optical density at 600 nanometers.
Avantageusement, le dispositif peut également comprendre des moyens informatiques aptes à piloter les moyens de mesure et/ou à collecter et traiter les résultats de mesure en ligne.Advantageously, the device can also comprise computer means able to control the measuring means and/or to collect and process the measuring results online.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, le dispositif et/ou ladite enceinte sont en matériau transparent aux rayons X, ce qui permet de pouvoir réaliser une mesure par rayons X du milieu poreux afin d’identifier les zones où le biofilm se forme et la quantité de biofilm à l’intérieur du milieu poreux. De préférence, le matériau transparent aux rayons X est en verre, un polymère ou un métal qui laisse facilement passer les rayons X. De manière encore préférée, lorsque l’enceinte comprend des secteurs circonférentiels indépendants, ces secteurs peuvent être en verre fritté. Ainsi, ils peuvent laisser passer les rayons X et permettre l’évacuation du fluide, le verre fritté étant perméable. Le verre fritté s'obtient en agglomérant des perles fines de verre de même grosseur avec un liant comme le glycérol, comprimant la pastille et détruisant le liant sous l'action de la chaleurAccording to an advantageous configuration of the invention, the device and/or said enclosure are made of a material transparent to X-rays, which makes it possible to carry out an X-ray measurement of the porous medium in order to identify the zones where the biofilm is formed and the amount of biofilm inside the porous medium. Preferably, the material transparent to X-rays is made of glass, a polymer or a metal which easily passes X-rays. Even more preferably, when the enclosure comprises independent circumferential sectors, these sectors can be made of sintered glass. Thus, they can allow X-rays to pass and allow the evacuation of the fluid, the sintered glass being permeable. Sintered glass is obtained by agglomerating fine glass beads of the same size with a binder such as glycerol, compressing the pellet and destroying the binder under the action of heat
La
Le dispositif de la
L’entrée 4 de l’enceinte est reliée par une première conduite à un moyen d’injection de fluide à un débit constant (ici une pompe 1). Sur cette première conduite, se trouve des moyens de mesure en ligne 2 comme une mesure de viscosité, de densité, de la teneur en oxygène par exemples.The inlet 4 of the enclosure is connected by a first pipe to a fluid injection means at a constant flow rate (here a pump 1). On this first line, there are online measurement means 2 such as a measurement of viscosity, density, oxygen content, for example.
La pompe 1 permet l’injection d’un fluide, de l’eau ou un gaz par exemple, dans l’enceinte 5 et le milieu poreux 6. Le fluide peut contenir des bactéries aptes à générer un biofilm dans le milieu poreux, une solution nutritive adaptée à la croissance des bactéries et donc du biofilm, ou au contraire une solution biocide pour détruire au moins partiellement les bactéries et donc le biofilm.The pump 1 allows the injection of a fluid, water or a gas for example, into the enclosure 5 and the porous medium 6. The fluid may contain bacteria capable of generating a biofilm in the porous medium, a nutrient solution suitable for the growth of bacteria and therefore of the biofilm, or on the contrary a biocidal solution for at least partially destroying the bacteria and therefore the biofilm.
Dans ce mode de réalisation, le fluide traverse l’enceinte 5 et le milieu poreux 6 longitudinalement (parallèlement à l’axe A de l’enceinte 5 et du milieu poreux 6), comme matérialisée par la flèche F1, et ce, à débit fixé si la première sortie 3 est fermée au moyen d’une vanne, ou à pression fixée, si la première sortie 3 est ouverte, la pression amont étant contrôlée par la vanne de contre-pression 12.In this embodiment, the fluid crosses the enclosure 5 and the porous medium 6 longitudinally (parallel to the axis A of the enclosure 5 and of the porous medium 6), as materialized by the arrow F1, and this, at flow rate fixed if the first outlet 3 is closed by means of a valve, or at fixed pressure, if the first outlet 3 is open, the upstream pressure being controlled by the back-pressure valve 12.
L’enceinte comprend une deuxième sortie 7 pour évacuer le fluide qui a traversé l’enceinte 5 et le milieu poreux 6 longitudinalement. Cette deuxième sortie 7 est reliée par une deuxième conduite à un moyen de contrôle de la pression (en aval de l’enceinte) 9, qui est une vanne de contre-pression.The enclosure includes a second outlet 7 to evacuate the fluid which has passed through the enclosure 5 and the porous medium 6 longitudinally. This second outlet 7 is connected by a second pipe to a pressure control means (downstream of the enclosure) 9, which is a back-pressure valve.
La vanne de contre-pression 9 comprend également une sortie 10 pour évacuer le fluide et faire baisser la pression lorsque celle-ci est trop élevée.The counter-pressure valve 9 also includes an outlet 10 to evacuate the fluid and lower the pressure when the latter is too high.
Sur la deuxième conduite, se trouvent également un ou plusieurs moyens de mesure en ligne 8 (pression, température, viscosité, taux de gaz dans le fluide, présence ou non de bactéries ou de parties de biofilm).On the second pipe, there are also one or more in-line measurement means 8 (pressure, temperature, viscosity, gas content in the fluid, presence or absence of bacteria or parts of biofilm).
Le fluide arrivant de la pompe 1 peut circuler dans l’enceinte de l’entrée 4 à la première sortie 3 en passant par une zone d’entrée 15. La zone d’entrée 15 est délimitée par la paroi de l’enceinte, par l’entrée 4 et la première sortie 3 ainsi que par la surface d’entrée 16 du milieu poreux, la surface d’entrée 16 étant en regard de l’entrée 4 et de la première sortie 3.The fluid arriving from the pump 1 can circulate in the enclosure from the inlet 4 to the first outlet 3 passing through an inlet zone 15. The inlet zone 15 is delimited by the wall of the enclosure, by the inlet 4 and the first outlet 3 as well as by the inlet surface 16 of the porous medium, the inlet surface 16 facing the inlet 4 and the first outlet 3.
Dans le cas où la première sortie 3 est ouverte, la pression en amont de l’enceinte est contrôlée par le moyen de contrôle de la pression 12, qui est une vanne de contre-pression. Une sortie 13 de la vanne de contre-pression permet d’assurer une pression constante en entrée du milieu poreux et de l’enceinte et d’évacuer du fluide pour faire baisser la pression lorsque nécessaire. Pour permettre l’évacuation du fluide, la vanne de contre-pression 12 est reliée à une première sortie 3 de l’enceinte par une troisième deuxième conduite. Cela permet de contrôler la croissance du biofilm ou sa destruction dans la zone d’entrée 15 en appliquant un débit suffisant pour générer des efforts de cisaillement aptes à rompre le biofilm et/ou empêcher sa formation dans cette zone, tout en maintenant une pression fixe en amont de l’enceinte et du milieu poreux, notamment dans la zone d’entrée 15. Le fluide sortant par la première sortie 3 ne traverse pas le milieu poreux, il se contente de passer le long de sa surface d’entrée 16 : il balaye la surface d’entrée 16.In the case where the first outlet 3 is open, the pressure upstream of the enclosure is controlled by the pressure control means 12, which is a back pressure valve. An outlet 13 of the back-pressure valve makes it possible to ensure a constant pressure at the inlet of the porous medium and of the enclosure and to evacuate fluid to lower the pressure when necessary. To allow evacuation of the fluid, the counter-pressure valve 12 is connected to a first outlet 3 of the enclosure by a third second pipe. This makes it possible to control the growth of the biofilm or its destruction in the entry zone 15 by applying a sufficient flow rate to generate shear forces capable of breaking the biofilm and/or preventing its formation in this zone, while maintaining a fixed pressure. upstream of the enclosure and of the porous medium, in particular in the inlet zone 15. The fluid exiting through the first outlet 3 does not cross the porous medium, it merely passes along its inlet surface 16: it scans the input surface 16.
Sur la troisième conduite, un ou plusieurs moyens de mesure en ligne 11 peuvent être mis en place afin de réaliser différentes mesures (pression, température, viscosité, taux de CO2, d’oxygène ou d’hydrogène contenus dans le fluide etc…)On the third pipe, one or more in-line measurement means 11 can be set up in order to carry out various measurements (pressure, temperature, viscosity, rate of CO 2 , oxygen or hydrogen contained in the fluid, etc.)
Ainsi, la différence entre les mesures effectuées par le ou les moyens de mesure en ligne en amont 2 et 11 et les mesures effectuées par le moyen de mesure en ligne en aval 8 permettent de déterminer l’évolution du biofilm et/ou des microorganismes (par exemple bactéries) dans le milieu poreux.Thus, the difference between the measurements taken by the upstream online measurement means 2 and 11 and the measurements taken by the downstream online measurement means 8 make it possible to determine the evolution of the biofilm and/or the microorganisms ( for example bacteria) in the porous medium.
De plus, le dispositif comprend un moyen de commande 14 qui est en liaison avec les deux moyens de contrôle de la pression 12 et 9. Le moyen de commande 14 peut recevoir la pression d’un des deux moyens de contrôle de la pression 12 ou 9 et commander la pression de consigne de l’autre moyen de contrôle de la pression 12 ou 9 en fonction de la pression mesurée sur le premier. Ainsi, il est possible de contrôler le gradient de pression dans le milieu poreux 6 entre l’amont et l’aval du milieu poreux, dans le sens de l’écoulement du fluide, ce qui permet d’étudier la croissance du biofilm ou sa destruction lors d’écoulement à gradient de pression constant dans le milieu poreux.In addition, the device comprises a control means 14 which is linked to the two pressure control means 12 and 9. The control means 14 can receive the pressure from one of the two pressure control means 12 or 9 and control the set point pressure of the other pressure control means 12 or 9 according to the pressure measured on the first. Thus, it is possible to control the pressure gradient in the porous medium 6 between the upstream and the downstream of the porous medium, in the direction of the flow of the fluid, which makes it possible to study the growth of the biofilm or its destruction during flow at a constant pressure gradient in the porous medium.
Le moyen de commande 14 peut être un contrôleur ou un calculateur.The control means 14 can be a controller or a computer.
Ce système permet aussi, dans le cas où la première sortie 3 est fermée d’étudier ces phénomènes sans empêcher la formation de biofilm dans la zone d’injection, et ce, pour des régimes d’écoulements dans le milieu poreux à débit fixé (imposé) comme à pression fixée (imposée), l’intégralité des fluides injectés sortant alors par la deuxième sortie 7.This system also makes it possible, in the case where the first outlet 3 is closed, to study these phenomena without preventing the formation of biofilm in the injection zone, and this, for flow regimes in the porous medium at a fixed rate ( imposed) as at a fixed (imposed) pressure, all of the injected fluids then exiting through the second outlet 7.
La
Le dispositif de la
L’entrée 4 de l’enceinte est reliée par une première conduite à un moyen d’injection de fluide à un débit constant (ici une pompe 1). Sur cette première conduite, se trouve des moyens de mesure en ligne 2 comme une mesure de viscosité, de densité, de la teneur en oxygène par exemples. Le dispositif comprend une première sortie 3.The inlet 4 of the enclosure is connected by a first pipe to a fluid injection means at a constant flow rate (here a pump 1). On this first line, there are online measurement means 2 such as a measurement of viscosity, density, oxygen content, for example. The device comprises a first output 3.
L’enceinte comprend une deuxième sortie 7 (qui est positionnée sur la périphérie circonférentielle de l’enceinte 5 pour permettre la traversée radiale du fluide) pour évacuer le fluide qui a traversé l’enceinte 5 et le milieu poreux 6 radialement. Cette deuxième sortie 7 est reliée par une deuxième conduite à un moyen de contrôle de la pression (en aval de l’enceinte, dans le sens de la direction du fluide) 9, qui est une vanne de contre-pression.The enclosure includes a second outlet 7 (which is positioned on the circumferential periphery of the enclosure 5 to allow the fluid to cross radially) to evacuate the fluid which has passed through the enclosure 5 and the porous medium 6 radially. This second outlet 7 is connected by a second pipe to a pressure control means (downstream of the enclosure, in the direction of the direction of the fluid) 9, which is a back-pressure valve.
La vanne de contre-pression 9 comprend également une sortie 10 pour évacuer le fluide et faire baisser la pression lorsque celle-ci est trop élevée.The counter-pressure valve 9 also includes an outlet 10 to evacuate the fluid and lower the pressure when the latter is too high.
Sur la deuxième conduite, se trouvent également un ou plusieurs moyens de mesure en ligne 8 (pression, température, viscosité, taux de gaz dans le fluide, présence ou non de bactéries ou de parties de biofilm).On the second pipe, there are also one or more in-line measurement means 8 (pressure, temperature, viscosity, gas content in the fluid, presence or absence of bacteria or parts of biofilm).
La pompe 1 permet l’injection d’un fluide, de l’eau ou un gaz par exemple, dans l’enceinte 5 et le milieu poreux 6. Le fluide peut contenir des bactéries ou microorganismes aptes à générer un biofilm dans le milieu poreux 6, une solution nutritive adaptée à la croissance des bactéries ou autres microorganismes et donc du biofilm, ou au contraire une solution biocide pour détruire au moins partiellement les microorganismes et donc le biofilm.The pump 1 allows the injection of a fluid, water or a gas for example, into the enclosure 5 and the porous medium 6. The fluid may contain bacteria or microorganisms capable of generating a biofilm in the porous medium 6, a nutrient solution suitable for the growth of bacteria or other microorganisms and therefore of the biofilm, or on the contrary a biocidal solution for at least partially destroying the microorganisms and therefore the biofilm.
Dans ce mode de réalisation, le fluide traverse l’enceinte 5 et le milieu poreux 6 radialement, comme matérialisée par la flèche F2. Pour se faire, le milieu poreux 6 est annulaire et comprend un trou axial central formant une zone d’entrée pour l’injection du fluide dans le milieu poreux 6 (alternativement, il pourrait servir à l’évacuation du fluide du milieu poreux).In this embodiment, the fluid crosses the enclosure 5 and the porous medium 6 radially, as materialized by the arrow F2. To do this, the porous medium 6 is annular and comprises a central axial hole forming an entry zone for injecting the fluid into the porous medium 6 (alternatively, it could be used to evacuate the fluid from the porous medium).
La pression en amont de l’enceinte est contrôlée par le moyen de contrôle de la pression 12, qui est une vanne de contre-pression. Une sortie 13 de la vanne de contre-pression permet d’assurer une pression constante et d’évacuer du fluide pour faire baisser la pression lorsque nécessaire. La vanne de contre-pression est reliée à une première sortie 3 de l’enceinte par une troisième conduite. Comme représenté, la deuxième sortie 3 et l’entrée 4 sont positionnées au niveau du trou axial du milieu poreux 6, à chaque extrémité longitudinale du milieu poreux. Le trou axial forme une zone d’entrée 15, le fluide pouvant circuler de l’entrée 4 à la première sortie 3 dans la zone d’entrée 15 (le trou axial) en balayant la surface d’entrée 16 du milieu poreux sans traverser le milieu poreux 6, la surface d’entrée 16 étant ici cylindrique. Ce système permet, lorsque la première sortie 3 est ouverte, de faire passer du fluide à un débit constant dans le puit d’injection formé par la zone d’entrée 15, sans qu’il n’entre dans le milieu poreux 6 à ce débit constant.The pressure upstream of the enclosure is controlled by the pressure control means 12, which is a back pressure valve. An outlet 13 of the back pressure valve ensures constant pressure and evacuates fluid to lower the pressure when necessary. The back-pressure valve is connected to a first outlet 3 of the enclosure by a third pipe. As shown, the second outlet 3 and the inlet 4 are positioned at the level of the axial hole of the porous medium 6, at each longitudinal end of the porous medium. The axial hole forms an inlet zone 15, the fluid being able to circulate from the inlet 4 to the first outlet 3 in the inlet zone 15 (the axial hole) by sweeping the inlet surface 16 of the porous medium without crossing the porous medium 6, the inlet surface 16 here being cylindrical. This system makes it possible, when the first outlet 3 is open, to pass fluid at a constant flow rate into the injection well formed by the inlet zone 15, without it entering the porous medium 6 at this constant flow.
Sur la troisième conduite, un ou plusieurs moyens de mesure en ligne 11 peuvent être mis en place afin de réaliser différentes mesures (pression, température, viscosité, taux de CO2, d’oxygène ou d’hydrogène contenus dans le fluide etc…)On the third pipe, one or more in-line measurement means 11 can be set up in order to carry out various measurements (pressure, temperature, viscosity, rate of CO 2 , oxygen or hydrogen contained in the fluid, etc.)
Ainsi, la différence entre les mesures effectuées par le ou les moyens de mesure en ligne en amont 2 et 11 et les mesures effectuées par le moyen de mesure en ligne en aval 8 permettent de déterminer l’évolution du biofilm et/ou des microorganismes (par exemple bactéries) dans le milieu poreux.Thus, the difference between the measurements taken by the upstream online measurement means 2 and 11 and the measurements taken by the downstream online measurement means 8 make it possible to determine the evolution of the biofilm and/or the microorganisms ( for example bacteria) in the porous medium.
De plus, le dispositif comprend un moyen de commande 14 qui est en liaison avec les deux moyens de contrôle de la pression 12 et 9. Le moyen de commande 14 peut recevoir la pression d’un des deux moyens de contrôle de la pression 12 ou 9 et commander la pression de consigne de l’autre moyen de contrôle de la pression 12 ou 9 en fonction de la pression mesurée sur le premier. Ainsi, il est possible de contrôler le gradient de pression entre l’amont et l’aval du milieu poreux, l’amont et l’aval s’entendant dans le sens de circulation du fluide, ce qui permet, dans le cas où la première sortie 3 est ouverte, d’appliquer un écoulement à pression fixée (imposée) dans le milieu poreux quand bien même la pompe 1 délivre un débit constant dans le puit d’injection de la zone d’entrée 15. Cela permet ainsi d’étudier la croissance du biofilm, sa destruction et sa résilience dans un régime d’injection à pression fixée représentatif des conditions réelles des applications et d’éviter l’envahissement du puit d’injection par le biofilm en maintenant, grâce à l’injection à débit fixée dans ce puit, un gradient de cisaillement suffisant pour empêcher le développement du biofilm ou en entrainant sa rupture.In addition, the device comprises a control means 14 which is linked to the two pressure control means 12 and 9. The control means 14 can receive the pressure from one of the two pressure control means 12 or 9 and control the set point pressure of the other pressure control means 12 or 9 according to the pressure measured on the first. Thus, it is possible to control the pressure gradient between the upstream and the downstream of the porous medium, the upstream and the downstream getting along in the direction of circulation of the fluid, which allows, in the case where the first outlet 3 is open, to apply a flow at a fixed (imposed) pressure in the porous medium even though the pump 1 delivers a constant flow rate into the injection well of the inlet zone 15. This thus makes it possible to to study the growth of the biofilm, its destruction and its resilience in an injection regime at fixed pressure representative of the real conditions of the applications and to avoid the invasion of the injection well by the biofilm by maintaining, thanks to the injection at rate fixed in this well, a shear gradient sufficient to prevent the development of the biofilm or causing its rupture.
Ce système permet aussi, dans le cas où la première sortie 3 est fermée d’étudier ces phénomènes sans empêcher la formation de biofilm dans le puit injecteur, et ce, pour des régimes d’écoulements dans le milieu poreux à débit fixé (imposé) comme à pression fixée (imposée), l’intégralité des fluides injectés sortant alors par la deuxième sortie 7.This system also makes it possible, in the case where the first outlet 3 is closed, to study these phenomena without preventing the formation of biofilm in the injector well, and this, for flow regimes in the porous medium at a fixed (imposed) flow rate. as at fixed (imposed) pressure, all of the injected fluids then exiting through the second outlet 7.
Le moyen de commande 14 peut être un contrôleur ou un calculateur.The control means 14 can be a controller or a computer.
ExemplesExamples
Un exemple d’un dispositif et d’un procédé selon l’invention sont explicités ci-après.An example of a device and a method according to the invention are explained below.
L’exemple concerne l’analyse du développement d’un biofilm de bactéries Escherichia Coli suivi au scanner à rayons X.The example concerns the analysis of the development of a biofilm of Escherichia Coli bacteria followed by an X-ray scanner.
Le dispositif comprend une enceinte, elle-même contenant un échantillon de roche qui constitue le milieu poreux. L’enceinte est configurée pour un écoulement radial avec une entrée de fluide axiale et une deuxième sortie de fluide radiale. En d’autres termes, elle correspond au schéma de la
L’échantillon de sol est annulaire, de diamètre extérieur de 20 cm, de diamètre intérieur de 0,5 cm de manière à constituer un puits central et d’une hauteur de 10 cm.The soil sample is annular, with an outside diameter of 20 cm, an inside diameter of 0.5 cm so as to constitute a central well and a height of 10 cm.
L’échantillon est un échantillon de roche Bentheimer, car il présente une bonne homogénéité et est bien représentatif de la porosité des roches souterraines d’intérêt. Sa porosité est comprise entre 21 et 27%, et sa perméabilité varie entre 0,52 et 3,02 Darcy. La taille de ses pores peut être mesurée par la technique connue de la porosimétrie à intrusion de mercure. Ici, la distribution poreuse va de 0,4 à 80 micromètres, avec un pic à 25 micromètres. On vérifie que la taille des bactériesE. Coliest bien largement inférieure (2 micromètres) à cette porosité moyenne, ce qui autorise l’injection et le balayage de l’échantillon avec une solution de bactériesE. Coli. The sample is a Bentheimer rock sample, as it has good homogeneity and is well representative of the porosity of the subterranean rocks of interest. Its porosity is between 21 and 27%, and its permeability varies between 0.52 and 3.02 Darcy. The size of its pores can be measured by the known technique of mercury intrusion porosimetry. Here, the porous distribution ranges from 0.4 to 80 micrometers, with a peak at 25 micrometers. It is checked that the size of the E. Coli bacteria is much lower (2 micrometers) than this average porosity, which allows the injection and scanning of the sample with a solution of E. Coli bacteria.
Sur la périphérie circonférentielle de l’échantillon de sol, se trouvent quatre secteurs conformes à la
Le fluide injecté (une saumure) dans le milieu poreux contient des bactéries d’Escherichia Coli. Le fluide et les bactéries associées sont injectés dans le milieu poreux à un débit constant de 10 cm3/h.The fluid injected (a brine) into the porous medium contains Escherichia Coli bacteria. The fluid and the associated bacteria are injected into the porous medium at a constant flow rate of 10 cm 3 /h.
Après l’injection de bactéries, le fluide est injecté avec une solution nutritive correspondant au milieu de Fouad modifié décrit précédemment, à un débit constant de 100 cm3/h dans le milieu poreux.After the injection of bacteria, the fluid is injected with a nutrient solution corresponding to the modified Fouad medium described previously, at a constant flow rate of 100 cm 3 /h in the porous medium.
L’apparition de biofilm est étudiée par CT-Scanner et par les mesures au cours du temps du débit sortant par les secteurs externes et des autres paramètres (pH, conductimétrie, densité, teneur en glucose et en oxygène).The appearance of biofilm is studied by CT-Scanner and by measurements over time of the outflow through the external sectors and other parameters (pH, conductimetry, density, glucose and oxygen content).
Pendant l’injection du fluide, on peut contrôler le gradient de pression entre l’amont et l’aval du milieu poreux, dans le sens de circulation du fluide, à une valeur de 5 mbar. Ce gradient de pression peut être varié pour étudier diverses conditions de gradient de cisaillement.During the injection of the fluid, one can control the pressure gradient between the upstream and the downstream of the porous medium, in the direction of circulation of the fluid, at a value of 5 mbar. This pressure gradient can be varied to study various shear rate conditions.
Claims (15)
a) on injecte un fluide à une entrée (4) d’une enceinte (5) comprenant le milieu poreux (6) à un débit constant pour générer le biofilm ou pour éliminer au moins partiellement le biofilm, le fluide pouvant ressortir de l’enceinte (5) par une première sortie (3) de l’enceinte (5), en amont du milieu poreux (6), et
b) on contrôle un gradient de pression entre l’entrée (4) et une deuxième sortie (7) de l’enceinte (5) de manière à imposer un écoulement à gradient de pression prédéterminé dans le milieu poreux (6), la deuxième sortie (7) étant située en aval du milieu poreux (6).Method for analyzing the behavior of a biofilm within a porous medium (6) comprising at least the following steps:
a) a fluid is injected into an inlet (4) of an enclosure (5) comprising the porous medium (6) at a constant flow rate to generate the biofilm or to at least partially eliminate the biofilm, the fluid being able to emerge from the enclosure (5) via a first outlet (3) from the enclosure (5), upstream of the porous medium (6), and
b) a pressure gradient is controlled between the inlet (4) and a second outlet (7) of the enclosure (5) so as to impose a flow at a predetermined pressure gradient in the porous medium (6), the second outlet (7) being located downstream of the porous medium (6).
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