Normal Stresses and Interface Displacement: Influence of Viscoelasticity on Enhanced Oil Recovery Efficiency Contraintes normales et déplacement d’interface : influence de la viscoélasticité sur l’efficacité de la récupération assistée

Abstract

One of chemical Enhanced Oil Recovery (EOR) methods consists in injecting aqueous solutions of polymers into the reservoir in order to improve mobility ratio between the injected fluid and the remaining oil. This “polymer flooding” process is usually only characterized with the low shear viscosity of the injected fluid, even if these aqueous solutions are strongly shear thinning and may show high elastic properties evidenced by normal stresses appearance. In order to study the mechanisms at the interface level, we develop simple model experimentations with the goal of quantifying the influence of viscoelastic properties on fluid displacement in a simple geometry. For this purpose, we propose and characterize a model fluid formulation, for which elastic and viscous effects can be tuned systematically. We study then the displacement of a viscous oil by a Newtonian non elastic, a viscoelastic or a purely shear thinning fluid in a two dimensional flow cell. Observing the shape of the interface between aqueous fluids and displaced oil permits to appreciate viscoelasticity effects on the displacement. Using model geometries and controlled rheology fluids, we show that viscoelastic fluids tend to better displace immiscible liquids than Newtonian fluids and that those effects are closely related to the apparitions of normal stresses independently of shear thinning property or variation of interfacial tension as soon as viscous effects govern the flow. Une des méthodes de récupération assistée du pétrole (EOR - Enhanced Oil Recovery) consiste à injecter dans les puits des solutions aqueuses de polymère pour améliorer le rapport de mobilité entre le fluide injecté et le pétrole qui reste dans le puits. Ce procédé de “polymer flooding” est communément caractérisé par la seule valeur de la viscosité à faible gradient de vitesse du fluide injecté, bien que les solutions employées présentent une forte rhéofluidification et également de fortes propriétés élastiques mises en évidence par l’apparition de contraintes normales. Afin d’étudier les mécanismes mis en jeu au niveau de l’interface, nous avons développé des expériences modèles simples pour quantifier l’influence des propriétés viscoélastiques dans le cas d’un fluide déplaçant un autre dans une géométrie simple. A cette fin, nous proposons et caractérisons un fluide modèle avec des composantes visqueuses et élastiques ajustables. Nous étudions ainsi le déplacement d’une huile visqueuse par un fluide Newtonien non élastique, un fluide viscoélastique ou un fluide purement rhéofluidifiant dans une cellule d’écoulement à deux dimensions. L’observation de la forme de l’interface entre la phase aqueuse et l’huile déplacée permet d’apprécier les effets de la viscoelasticité sur le déplacement. En utilisant une géométrie modèle et des fluides aux propriétés rhéologiques contrôlées, nous montrons que des fluides viscoélastiques ont tendance à mieux déplacer un fluide immiscible qu’un fluide Newtonien dans une cellule à deux dimensions et que ces effets sont liés à l’apparition de contraintes normales indépendamment des propriétés de rhéofluidification ou de variation de tension interfaciale dès que les effets visqueux dominent l’écoulement.