Mechanical Degradation Onset of Polyethylene Oxide Used as a Hydrosoluble Model Polymer for Enhanced Oil Recovery

Seuil de dégradation mécanique de solutions de polymères utilisés en récupération assistée des hydrocarbures

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² LIMATB-Equipe Rhéologie, Université de Bretagne Occidentale, 6 avenue Victor Le Gorgeu, CS 93837, 29238 Brest Cedex 3 - France
e-mail: adeldupas@gmail.com - isabelle.henaut@ifpen.fr - jean-francois.argillier@ifpen.fr - Thierry.Aubry@univ-brest.fr

Abstract

Water soluble polymers such as polyacrylamide are used in polymer flooding, which is an advanced technique of Enhanced Oil Recovery (EOR). It aims at improving crude oil displacement in reservoir by pushing it with a viscous injected fluid. Polymer flood is challenged by mechanical degradation of long macromolecules during intense flows. Many studies reported that above a critical extensional rate ${\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{·}}$, polymer chains can break and lose their rheological properties. The molecular weight (M) dependence of ${\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{·}}$ for dilute solutions in laminar flows was shown to follow a power law: ${\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{·}}\mathrm{}$ ≈ M_w^–k. An experimental study has been performed to investigate the onset of mechanical degradation in both laminar and turbulent flows and for both dilute and semi dilute polyethylene oxide aqueous solutions. It reveals that the exponent k strongly depends on the concentration and flow regimes and also on solvent quality. Results show that mechanical degradation mainly affects long chains, that it is favoured at high concentrations, under poor solvent conditions. They also evidence that the extensional viscosity at low strain rates decreases to the same extent as shear viscosities due to mechanical degradation. However, the decrease of the extensional viscous properties at high strain rates is much more pronounced.

Résumé

Les polymères hydrosolubles comme les polyacrylamides peuvent être utilisés en récupération assistée des hydrocarbures (Enhanced Oil Recovery (EOR)) par injection de polymère. Cette technique vise à augmenter la production de brut en le poussant du réservoir vers un puits producteur à l’aide d’une solution de polymère suffisamment visqueuse. Les polymères utilisés à cet effet ont des masses moléculaires supérieures à 10⁶ g/mol, ce qui les rend sensibles à la dégradation. En raison des débits élevés utilisés lors de leur injection, mais aussi en raison des taux d’élongation élevés rencontrés dans le réservoir, les polymères peuvent se rompre et perdre leurs propriétés viscosifiantes. Dans la littérature, il a été clairement montré, pour des solutions diluées en régime laminaire, que la dégradation des macromolécules n’était initiée qu’au-delà d’un taux d’élongation critique noté ${\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{c}}^{\mathrm{·}}$, et que ce taux d’élongation était une fonction puissance de la masse moléculaire du polymère : ${\mathit{\epsilon }}_{\mathit{c}}^{\mathrm{·}}$ ≈ M_w^–k. La présente étude expérimentale de la dégradation mécanique a été menée sur des solutions d’oxydes de polyéthylène pour comprendre la dégradation mécanique non seulement en écoulement laminaire ou turbulent, mais aussi en régime dilué et semi-dilué, ainsi qu’en bon ou mauvais solvant. Il a été mis en évidence que la dégradation mécanique affecte principalement les longues chaînes, qu’elle est favorisée à concentrations élevées et en mauvais solvant. Les résultats montrent également que la décroissance de la viscosité élongationnelle à faibles taux de déformation, due à la dégradation, est semblable à celle de la viscosité de cisaillement; elle est en revanche beaucoup plus marquée à forts taux d’élongation.