Dans ce travail de thèse nous nous intéressons aux propriétés interfaciales du CO2 en conditions de réservoir avec une attention particulière pour le stockage du CO2 dans des aquifères salins profonds. Chaque partie de cette thèse représente une échelle physique différente et même si elles ont été réalisées avec des dispositifs expérimentaux et des outils de modélisation très différents, elles sont très fortement liées. Les résultats obtenus la première partie de cette thèse constituent un jeu de données complet de tension interfaciale saumure-CO2 et représentatif de la gamme de pression, température et salinité des opérations de stockage actuellement en cours d'injection. Une équation semi analytique basée sur ces résultats est proposée avec le but de faciliter le travail des ingénieurs réservoir. La deuxième partie aborde l'étude de ces propriétés à l'échelle du pore en utilisant un micromodèle en verre transparent (milieu poreux 2D) pour différentes conditions de mouillabilité. Cette partie montre le comportement mouillant du CO2 sur des surface hydrophobes ou mouillables à l'huile. Un modèle de type réseau a été utilisé pour l'interprétation et l'exploitation de ces résultats. Le troisième volet correspond à deux phases expérimentales sur carotte pour des mouillabilités différentes, associées à une modélisation à l'échelle de Darcy. Cette partie de notre étude constitue le coeur de la validation du simulateur compositionnel de réservoirs COORES, développé par l'IFP. Elle nous a permis également de déterminer des propriétés polyphasiques, telles que les Pc et kr, pour des systèmes saumure-CO2. L'ensemble de cette thèse présente les trois échelles nécessaires pour modéliser du stockage du CO2 dans des aquifères salins profonds

Dans ce travail nous avons étudié deux phénomènes : l’instabilité autophobique d’un film de polymère sur un polymère réticulé et la cinétique de la formation de l’interface entre deux films minces de polymère. Dans le cas d’une interface instable nous avons étudié le démouillage autophobique d’un film de polystyrène linéaire déposé sur un réseau de même nature chimique. Dans ce type de démouillage, l’instabilité est gouvernée par l’entropie de l’interface. Les techniques qui ont été utilisées pour caractériser ce phénomène sont la microscopie optique et l’AFM afin de déduire la vitesse de démouillage, l’angle de contact et la longueur de glissement en temps réel, et la réflectométrie des neutrons pour corréler ces propriétés à la structure de l’interface. Les réseaux de polystyrène sont synthétisés à partir de copolymères statistiques à base de styrène fonctionnalisé azoture. L’utilisation des azotures pour la réticulation conduit d’une manière propre à la formation d’un réseau homogène et peu rugueux. Un ralentissement de la dynamique du démouillage a été montré pour les plus faibles épaisseurs de films de polystyrène linéaire. Nous avons observé que l’angle de contact du polystyrène linéaire sur le réseau augmente avec le temps alors que la longueur de glissement diminue. Les phénomènes mis en jeu pour ces variations d’angle de contact et de longueur de glissement sont reliés à la structure de l’interface. Il a été mesuré que pendant le démouillage il y a une pénétration des chaînes de polystyrène dans le réseau plus importante avec de plus faible densité de réticulation. Cette pénétration a pour effet d’étirer les mailles du réseau et ainsi de diminuer l’entropie de la surface, ce qui favorise le mouillage en augmentant l’angle de contact. En même temps, les chaînes qui ont partiellement pénétrer vont jouer le rôle de connecteur entre le film et le réseau en créant des points d’enchevêtrement avec les chaînes du film, ce qui ralentit la cinétique du démouillage. Le démouillage pour les systèmes avec la densité de réticulation la plus faible (taux d’azoture 17%), a un comportement de type semi-idéal pour la vitesse de démouillage ("v∝" "t" ^"-1/3" ). Le gonflement d’un réseau plus dense (taux d’azoture de 62%) est moins efficace : la saturation complète est impossible, même pour les temps longs. Nous avons également étudié la cinétique de la formation d’une interface entre deux films de polymère dans le cas stable. Le polymère utilisé est la polyoléfine, c’est un copolymère statistique d’éthylène et de butène. Le ratio entre les deux monomères dans les films va modifier le degré d’immiscibilité du système. L’épaisseur de l’interface est liée à une partie intrinsèque qui se forme rapidement, et une autre aux ondes capillaires. Nous avons pu observer leurs croissances pour un système proche du point critique d’immiscibilité, et ainsi remonté aux propriétés viscoélastiques du système.

Ce travail concerne l’élaboration de nanocomposites à base de polystyrène/polyamide 6/argile montmorillonite (PS/PA6/MMT). Son but premier a été d’évaluer l’influence d’un copolymère polystyrène greffé polyamide 6 (PS-g-PA6), en tant qu’agent compatibilisant pour promouvoir une meilleure interaction PS-PA6, et son influence dans l’intercalation/exfoliation des argiles, d’une part ; évaluer les structures et les propriétés des nanocomposites obtenus. Deux sortes d’argile montmorillonite ayant différents modificateurs organiques, bien que cinq sortes de PS-g-PA6 contenant différentes quantités de PA6 et différentes masses molaires de greffés ont étés utilisés. Deux compositions de mélange PS/PA6 ont été préparées, 50/50 et 80/20 % en poids. Les quantités d’argile et de PS-g-PA6 utilisées dans les mélanges ont étés 5 et 3% en poids, respectivement. Les images obtenues par microscopie électronique à balayage (MEV) ont montré qu’une inversion de phase a lieu entre les deux compositions, sus les conditions de procédé utilisées, le PS étant la phase mineure à 50/50 %. Les images de MEV ont également révélé que les copolymères et l’argile ont un effet synergique dans la compatibilization des mélanges PS/PA6, dans les deux compositions. La capacité de compatibilization des copolymères est fortement affectée par ses masses molaires et ses quantités de PA6, que promeuvent différents degrés de nouvellement des chaines dans l’interface PS/PA6. De manière générale, les copolymères contenant une plus grande quantité de PA6, associés à l’argile qui meilleure itérât avec la PA6 présentaient des meilleures propriétés / This work aimed the preparation and characterization on polystyrene / polyamide 6 / montmorillonite clay (PS/PA6/MMT) nanocomposites. The goal was to evaluate the influence of the addition of polystyrene graft copolymer with polyamide 6 (PA6-g-PS) with potential to act as a coupling agent, promoting better interaction between PS and PA6, and to study the structures and properties of obtained nanocomposites. Two types of montmorillonite clay, organically modified with different modifiers, as well as five types of PS-g-PA6 copolymer, possessing different amounts of PA6 and grafts with different molecular weights, were employed. Two PS/PA6 blends compositions were prepared, 50/50 and 80/20 wt%. The chosen amount of clay and PS-g-PA6 were 5 and 3% by weight, respectively. Images obtained via scanning electron microscopy (SEM) showed a phase inversion occurring between the two compositions, being PS the dispersed phase in 50/50% composition. SEM images also showed that the addition of copolymers and clay have a synergistic effect on the compatibilization of the blends PS/PA6 in both compositions. The copolymers coalescence ability is strongly affected by their molecular weight and their amount of PA6, which provides different levels of folding of the chains at the interface PS-PA6.The best results were obtained in systems where it was added concomitantly clay and copolymer. Rheology and TEM results showed that the molecular weight of copolymers influence the interfacial tension in mixtures. In general, copolymers containing larger amounts of PA6, associated with clay that best interacts with PA6, showed the best results

L'objectif de ce travail, s'inscrivant dans le contexte de l'EOR chimique par voie tensioactive, est de développer un tensiomètre microfluidique permettant de mesurer de manière continue la tension interfaciale (IFT) entre des formulations EOR et des pétroles bruts. Le tensiomètre développé repose sur un co-écoulement coaxial dans deux capillaires, conduisant principalement à deux types d'écoulement : la formation d'un jet d'un fluide dans l'autre, ou la formation de gouttes créées par l'instabilité de Rayleigh-Plateau. En utilisant le modèle de Guillot et al. permettant de décrire la transition expérimentale entre un régime de gouttes et un régime de jet, il est possible de remonter à l'IFT. Dans ces travaux, les différents régimes d'écoulement ont été étudiés expérimentalement et comparer à la transition théorique. Ensuite, la plage de paramètres exploitables expérimentalement a été établie en analysant les différentes hypothèses et limites du modèle. La méthode a alors pu être mise en ¿uvre avec différents fluides couvrant plus de quatre décades de valeurs d'IFT (25 à 2.10-3 mN/m). Néanmoins, le tensiomètre développé est un tensiomètre dynamique, ce qui requiert une étude spécifique des cinétiques de diffusion et d'adsorption des tensioactifs afin de déterminer leur impact sur la mesure de l'IFT dans le cadre des formulations EOR. Dans le cas des tensioactifs à cinétiques rapides, nous avons pu réaliser l'optimisation d'une formulation EOR modèle en déterminant le minimum d'IFT en fonction de la salinité de la formulation. Pour les systèmes présentant une cinétique lente, une méthode de pré-conditionnement a été proposée afin de pouvoir réaliser la mesure d'IFT. / The aim of this work on surfactant chemical EOR is to develop a microfluidic tensiometer allowing a continuous measurement of the interfacial tension (IFT) between crude oil and aqueous solutions. The developed tensiometer is based on a coaxial co-flow inside a capillary leading mainly to two regimes of flow: formation of a jet of one fluid in another one or formation of droplets created by the Rayleigh-Plateau instability. By using the model developed by Guillot et al. which describes the experimental transition between a droplet regime and a jet regime, it is possible calculate the IFT. In this work, the different flow regimes were studied in order to correlate the experimental and the theoretical transitions. Then, the limits of the microfluidics tensiometer were evaluated and the impact of the hypotheses of the model on the IFT measurement were analysed. Then, the method has been applied to various fluids covering an IFT range of more than four decades (25 to 2.10-2 mN/m). However, as the developed tensiometer is a dynamic tensiometer, a specific study of kinetic aspects have been performed in order to evaluate the impact on the IFT value. For rapid kinetics surfactants, we optimized a model EOR formulation by determining the salinity leading to the IFT minimum. This optimization was performed thanks to HTE. For slow kinetics system, a pre-conditionning method has been proposed in order to obtain the IFT.

La coextrusion est un process industriel de fabrication de films minces composés de plusieurs couches de polymères (PP/PP-g-Anhydride Maléique (PP-g-AM)/EVOH/PP-g-AM/PP) associant de propriétés intéressantes au matériau final. Lors de ce procédé, les films obtenus ne sont pas transparents mais présentent des granités. En effet, le liant ajouté contient des chaînes de PP-g-AM s’interpénètrent dans une couche du matériau et les têtes anhydride maléique réagissent avec l’autre couche créant in-situ des copolymères PP-g-AM-g-EVOH à l’interface.Mon premier travail était de mettre en évidence le rôle primordial des instabilités interfaciales sur la diminution de la transparence des films. Ceci a été rendu possible grâce à une observation des coupes transversales des films. Nous avons vu que plus la variation de l’épaisseur interne est grande, plus la qualité optique du film est mauvaise. Cette amplitude de variation est exacerbée dans le sens de la coextrusion. La cristallisation du PP observable au microscope optique par des sphérolites n’intervient qu’au second ordre.Il est connu que l’interface est stabilisée par la tension interfaciale, c’est pourquoi, dans un second temps, l’étude de l’interface a été menée La tension interfaciale a été mesurée par la méthode de relaxation de la goutte déformée. À une température supérieure à la température de fusion des deux polymères, l’EVOH est dispersé dans une matrice de liant PP-g-AM. Les gouttelettes d’EVOH sont soumises à un faible cisaillement. À l’arrêt de celui-ci, les gouttelettes relaxent pour retrouver leur forme d’équilibre, la forme sphérique. Le temps de relaxation est proportionnel à la tension interfaciale et au rapport des viscosités des polymères. Une des conséquences majeures de ces instabilités est la présence de défauts optiques rendant le film opaque, gênant pour les applications.Enfin, pour comprendre les résultats de tension interfaciale, il a fallu construire un protocole de dosage de copolymères à l’interface. Ce dosage absent de la littérature, a été le plus gros travail de ma thèse. Un protocole de dosage de copolymère à l’interface basé sur l’infrarouge est aujourd’hui validé et utilisé en recherche industrielle (ARKEMA, Serquigny). / Coextrusion is an industrial process which creates thin films of polymers (in this study : PP/PP-g-Anhydride Maleic (PP-g-AM)/EVOH/PP-g-AM/PP). These polymers give interesting properties to the final film. But some of these films have bad optical qualities with granity inside the film. Indeed, as the polymers are incompatibles, other polymers (PP-g-AM) which have adhesion role have to be added. These chains go into the interface to react with EVOH and create in situ way, copolymers PP-g-AM-EVOH.My first work was to identify the role of interfacial instabilities in the optical properties of the film. It was realised thanks to observations by optical microscope. Indeed, we have proove that there is a link between the variation of the intern thickness amplitude and the optical quality and this amplitude of variation grows in coextrusion direction. Spherulites in the bulk of each film influence less than the amplitude variation of intern thickness.This amplitude should depend on the interfacial tension, that is way, in the second part, we have measured the interfacial tension of different materials by drop deformed relaxtation method. At a temperature higher than the melted temperature of the polymers, a drop of EVOH is deformed in PP-g-AM matrix. A shear stress is applied to deformed the drop. When the shear stress is stopped, the drop from regular ellisoidal shape relaxes into its equilibrium shape, a spherical shape. The relaxation time is proportional to interfacial tension and viscosity ratio.This interfacial tension depends on the density of copolymers at the interface. So my final part was to caracterize copolymers. To titrate and study their reactivity, I had to set up a experiment which was not present in literature. This method was done by infrared and is now used in our industrial collaborator (ARKEMA, Serquigny).

- Nous avons implementé dans un programme académique une méthode de calcul de la tension interfaciale par dynamique moléculaire (méthode auparavant décrite dans la littérature).<br /><br />- L'implémentation a été testée sur un système d'interface modèle simple: interface liquide-vapeur d'alcanes. Les résultats donnent une estimation très correcte des tensions interfaciales.<br /><br />- Nous avons alors étudié une interface entre deux liquides immiscibles, et comparé nos résultats avec les prédictions issues de la théorie des ondes capillaires. Nous proposons une explication du désaccord constaté.<br /><br />- Ensuite, nous avons etudié la dynamique moléculaire de la surfactine (biosurfactant) à l'interface eau-hexane, en fonction de la concentration interfaciale.<br /><br />- Enfin, nous avons etudié la topologie et le profil de pression latérale de membranes de tétraetherlipides, en fonction de la stéréochimie des cyclopentanes présents dans le domaine hydrophobique de la membrane.

Ce travail concerne la modélisation de propriétés interfaciales d'alcanes linéaires confinés dans des pores plan/plan, telles que la quantité adsorbée ou la tension interfaciale par la simulation moléculaire de type Monte Carlo. Les calculs ont été réalisés dans les conditions thermodynamiques variées allant de pressions et températures très faibles jusqu'à des valeurs élevées rencontrées typiquement dans les réservoirs. Nous avons mené une étude de sensibilité concernant trois potentiels d'interaction classiquement utilisés, regardé l'influence du confinement géométrique et des conditions thermodynamiques sur le méthane confiné, calculé la chaleur isostérique d'adsorption et mis en évidence le phénomène de condensation capillaire. Les résultats d'isotherme d'adsorption obtenus par simulation ont été confrontés avec succès à des résultats expérimentaux. Cette comparaison a également permis de mettre en évidence l'importance de la caractérisation du milieu poreux lors de l'estimation de l'isotherme d'adsorption. Le comportement d'alcanes linéaires de plus longue chaine a également été étudié.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre des recherches menées sur l'évaluation des procédés pyrochimiques pour la séparation actinides-lanthanides. Ils concernent plus précisément un coeur de procédé consistant en la réduction, sur cathode liquide, des actinides dissous en milieu sel fondu. Cette technique présente un certain potentiel pour un scénario de « gestion groupée ». L'objectif de ces travaux est de proposer un procédé de séparation électrolytique qui améliorait, à la fois, les performances d'extraction des An, et de séparation An-Ln. L'amélioration de la sélectivité passe par la mise en oeuvre d'autres solvants que ceux explorés jusqu'à présent. Une étude méthodologique et thermodynamique nous a conduits à sélectionner une combinaison solvant/substrat cathodique prometteuse : fluorures fondus et bismuth liquide. Cette étape a été suivie d'une validation expérimentale (sur néodyme), permettant de s'assurer aussi bien de la faisabilité de mise en oeuvre des systèmes, que de la pertinence de nos prévisions. Les performances d'extraction pourraient, quant à elles, se voir améliorées par la mise en oeuvre d'un renouvellement de l'interface sel/cathode liquide. Il s'agit alors de répondre à la faisabilité d'une électrolyse dynamique sur gouttes de métal liquide. L'étude de la transposition de cette technologie aux milieux présélectionnés nous a conduits à mettre au point un petit dispositif dédié aux études d'écoulement, ainsi qu'une méthode de détermination des tensions interfaciales à haute température. Ces travaux démontrent que le principe de séparation sur cathode liquide à surface renouvelée ne présente pas de point rédhibitoire. Néanmoins, une validation en actif et une optimisation de la technologie sont nécessaires pour compléter l'évaluation de cette technique séparative innovante.

Les fluorocarbures ont un fort potentiel en médecine. Cependant, et en dépit du fait que certaines formulations employant des fluorocarbures sont utilisées en clinique, il n'existe que relativement peu d'études visant à déterminer les interactions entre un fluorocarbure et une membrane de phospholipides. Notre étude concentre à l'interface fluorocarbure/phospholipide, qui représente d'une part un modèle simplifié du surfactant pulmonaire natif dont le composant majoritaire est la dipalmitoylphosphatiylcholine (DPPC), et d'autre part la paroi de microbulles développées comme nouveaux agents théranostiques.Tout d'abord, nous montrons que les fluorocarbures abaissent considérablement la tension interfaciale d'équilibre d'une série de phospholipides et accélèrent fortement leur adsorption. Nous montrons que des oscillations périodiques appliquées à la bulle induisent une transition du film de DPPC vers un état d'organisation plus dense. L'application d'oscillations périodiques permet aussi à la DPPC d'expulser du film interfacial une protéine, l'albumine, dont la présence est souvent liée aux troubles dus au mauvais fonctionnement du surfactant pulmonaire. L'effet des fluorocarbures, qui accélère considérablement l'expulsion de l'albumine par la DPPC, est également étudié. D'autre part, nous avons obtenu des microbulles exceptionnellement stables grâce à une série homologue de phosphates perfluoroalkylés. Nous avons également réussi à former des microbulles couvertes par des nanoparticules magnétiques, tout en gardant les propriétés échogènes des bulles. De telles microbulles offrent un potentiel comme des agents de contraste bimodaux pour l'IRM et l'échosonographie.

La tension interfaciale est une grandeur physico-chimique d'intérêt pour de nombreuses industries et notamment l'industrie pétrolière. Cette grandeur est l'un des paramètres qui permet d'optimiser le rendement d'un puits de pétrole. La difficulté liée à sa mesure dans les conditions réservoirs a amené à étudier les systèmes eau/tensioactif/huile par simulation moléculaire. Ce travail a permis de montrer que la Dynamique Particulaire Dissipative (DPD) était un outil adapté pour l’étude de systèmes eau/tensioactif/huile sous différents aspects, de la caractérisation de la structure des interfaces au calcul de la tension interfaciale. Cette thèse a permis la démonstration de l’influence non-négligeable de la variation des paramètres de la force harmonique, l’amplitude K et la distance d’équilibre r0 , sur le calcul de la tension interfaciale et sur la structure des interfaces à forte concentration en tensioactif. En effet, la structure des tensioactifs aux interfaces est le résultat d’une balance subtile entre les forces intra et inter moléculaire. L’étude d’une population modèle de tensioactifs non chargés a permis de montrer que la DPD reproduit bien l'évolution de la tension interfaciale en fonction de la concentration en tensioactif en solution et en fonction du coefficient de partage de tensioactifs modèles non chargés. Une méthodologie est proposée pour caractériser les systèmes contenant des interfaces et où la tension interfaciale est calculée.Des travaux prospectifs ont permis de montrer que la DPD permettait d'étudier des phénomènes liés à la tension interfaciale comme le mûrissement d'Ostwald dans les émulsions d'huile dans l'eau. Ces derniers travaux ouvrent la voie à l’étude d’autres systèmes d’intérêt pour le milieu pétrolier comme le décollement de gouttes de pétroles adsorbées sur des parois ou l’étude d’émulsions pétrolières. / The interfacial tension is a physical-chemical property that numerous industrial areas have an interest of especially the petroleum industry. This property is one of the many which helps to optimize production wells' rate of return. Measuring that property in reservoir's conditions (high pressure and temperature) is highly difficult and led to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. The difficulty to measure that specific physical-chemical property linked to the pressure and temperature conditions in the reservoirs led the scientists to study water/surfactant/oil systems using molecular modeling. This thesis establishes that the Dissipative Particle Dynamics (DPD) is able to study water/surfactant/oil systems. The study of the effect of the variation of the harmonic force's parameters, namely the force constant K and the equilibrium distance r0, demonstrated that their variation can heavily influence the interfacial tension computation. Actually, a subtle balance exists between the intra and inter-molecular interactions, which influences the local structure of the surfactants at the oil-water interface, modifies the interfacial tension and influences the interface stability. It was demonstrated that DPD reproduces the variation of interfacial tension with the bulk surfactant concentration and the effect of the variation of hydrophobicity of models of un-charged surfactants on interfacial tension by mean of their coefficient partition. We established a method to properly study systems containing interfaces where interfacial tension is computed. Prospective work showed that DPD was a good tool to study microscopic phenomenon which can be observed macroscopically like the Ostwald ripening in oil in water emulsions. This is a first step before studying others systems of interest for the petroleum industry such as oil/water emulsion or the adsorption of oil droplets on rock wall.