Le polymer flooding est une des techniques de récupération assistée des hydrocarbures (RAH) ; elle consiste à injecter une solution de polymères de forte masse moléculaire afin de déplacer plus efficacement le pétrole emprisonné dans la roche. Cependant, une limite importante de cette technique est la possible dégradation mécanique des polymères au cours de l'injection et dans le réservoir, due à une scission des chaînes macromoléculaires induite par l'écoulement. Ce travail de thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes et scénarios de scission, mais aussi leur impact sur le procédé de polymer flooding. Nous nous sommes intéressés au seuil de dégradation mécanique de solutions de poly(oxyde d'éthylène) et de de polyacrylamide partiellement hydrolysé, pour différents régimes de concentration (solutions diluées et semi-diluées) en régime laminaire et inertiel, et pour des solvants de différentes qualités. L'étude de la dégradation mécanique des solutions et de leur impact sur les propriétés rhéologiques a été menée à l'aide de différents dispositifs de dégradation et de différents rhéomètres, dont un dispositif microfluidique en élongation ; ces techniques de mesure ont été combinées à des mesures de distribution de masses moléculaires par chromatographie d'exclusion stérique couplée à la diffusion de lumière. L'étude montre en premier lieu qu'une composante élongationnelle est indispensable pour dégrader les chaînes macromoléculaires en solution. Les résultats mettent aussi clairement en évidence que les mécanismes de dégradation sont très différents en régime dilué et semi-dilué. En régime dilué, la dégradation mécanique des solutions de polymères est indépendante du régime d'écoulement et affecte préférentiellement les macromolécules de fortes masses, avec une scission en milieu de chaîne. En revanche, en régime semi-dilué, la dégradation mécanique dépend du régime de l'écoulement : en écoulement laminaire, la dégradation est gouvernée par le réseau d'enchevêtrements et la scission des chaînes est aléatoire, tandis qu'en régime inertiel, les chaînes se dégradent comme en régime dilué, avec le même scénario de scission en milieu de chaîne. Par ailleurs, les résultats montrent que les propriétés rhéologiques en élongation peuvent être très fortement impactées par la dégradation mécanique. Enfin, les résultats de l'étude préliminaire des propriétés d'injectivité dans un milieu poreux d'une solution de polymère semi-diluée faiblement dégradée montrent que la dégradation mécanique améliore l'injectivité du polymère aux abords du puits.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne. / This work considers the interaction between a flow field and the microscopic degrees of a freedom of a polymer solution. Different flow configurations were considered.Droplet pinch off, which occurs when a drop of liquid detaches from a capillary, can be strongly modified in the presence of polymers giving rise to long and slender filaments that thin slowly in time. We here study experimentaly the dynamics of necking and the conformations of polymers during the thinning of the neck. Our results show that the slow down of the thinning dynamics is the result of polymer stretching. Moreover, during the filament thinning, the polymer length distribution remains the same. This result is unexpected and led us to introduce a new method to estimate the extensionnal viscosity which represents the polymer solution resistance to stretching.In a second flow configuration, we have observed that depletion of polymer molecules near a surface occurs when a bead approaches a plate in a polymer solution.

Le polymer flooding est une des techniques de récupération assistée des hydrocarbures (RAH) ; elle consiste à injecter une solution de polymères de forte masse moléculaire afin de déplacer plus efficacement le pétrole emprisonné dans la roche. Cependant, une limite importante de cette technique est la possible dégradation mécanique des polymères au cours de l'injection et dans le réservoir, due à une scission des chaînes macromoléculaires induite par l’écoulement. Ce travail de thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes et scénarios de scission, mais aussi leur impact sur le procédé de polymer flooding. Nous nous sommes intéressés au seuil de dégradation mécanique de solutions de poly(oxyde d’éthylène) et de de polyacrylamide partiellement hydrolysé, pour différents régimes de concentration (solutions diluées et semi-diluées) en régime laminaire et inertiel, et pour des solvants de différentes qualités. L’étude de la dégradation mécanique des solutions et de leur impact sur les propriétés rhéologiques a été menée à l’aide de différents dispositifs de dégradation et de différents rhéomètres, dont un dispositif microfluidique en élongation ; ces techniques de mesure ont été combinées à des mesures de distribution de masses moléculaires par chromatographie d’exclusion stérique couplée à la diffusion de lumière. L’étude montre en premier lieu qu’une composante élongationnelle est indispensable pour dégrader les chaînes macromoléculaires en solution. Les résultats mettent aussi clairement en évidence que les mécanismes de dégradation sont très différents en régime dilué et semi-dilué. En régime dilué, la dégradation mécanique des solutions de polymères est indépendante du régime d’écoulement et affecte préférentiellement les macromolécules de fortes masses, avec une scission en milieu de chaîne. En revanche, en régime semi-dilué, la dégradation mécanique dépend du régime de l’écoulement : en écoulement laminaire, la dégradation est gouvernée par le réseau d’enchevêtrements et la scission des chaînes est aléatoire, tandis qu’en régime inertiel, les chaînes se dégradent comme en régime dilué, avec le même scénario de scission en milieu de chaîne. Par ailleurs, les résultats montrent que les propriétés rhéologiques en élongation peuvent être très fortement impactées par la dégradation mécanique. Enfin, les résultats de l’étude préliminaire des propriétés d’injectivité dans un milieu poreux d’une solution de polymère semi-diluée faiblement dégradée montrent que la dégradation mécanique améliore l’injectivité du polymère aux abords du puits. / Polymer flooding is a technique used in enhanced oil recovery; it consists in injecting high molecular weight polymer solutions in order improve oil sweep efficiency in the reservoir. However, polymer flooding is challenged by possible mechanical degradation of polymer solutions during injection and in the reservoir, due to the flow induced scission of macromolecules. This work aims at better understanding the scission mechanisms and scenarios, but also their impact on polymer flooding. We investigated the onset of mechanical degradation of poly(ethylene oxide) and partially hydrolysed polyacrylamide solutions, for different concentration regimes (dilute and semi-dilute regimes), under laminar or inertial conditions, but also under good or bad solvent conditions. The study of mechanical degradation of polymer solutions and their impact on the rheological properties was performed using different degradation devices and different rheometers, including a microfluidic extensional device; these investigation techniques were combined with measurements of the molecular weight distributions using size exclusion chromatography coupled with light scattering experiments. The study first shows that an extensional component is needed to get a mechanical degradation of polymer chains. The results also clearly show that the degradation mechanisms are very different in dilute and semi-dilute regime. In dilute regime, the mechanical degradation of polymer solutions does not dependent on flow regime and mainly affects the macromolecules with high molecular weights, with a mid-chain scission scenario. On the other hand, in semi-dilute regime, mechanical degradation depends on flow regime: in laminar flows, degradation is governed by the entanglement network and chain scission is random, whereas in inertial flows, chain degradation is similar to that observed in dilute regime, with the same mid-chain scission scenario. Besides, the results show that the extensional rheological properties can be very strongly affected by mechanical degradation. At last, the results of a preliminary study of the injectivity of a slightly degraded semi-dilute polymer solution in porous media show that mechanical degradation improves polymer injectivity near the wellbore.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne.