Étude expérimentale d'émulsions d'eau-dans-huile denses dans un écoulement Couette Plan Annulaire

Dans le contexte de l’exploitation pétrolière offshore, ce travail a pour objectif d’étudier le comportement aux temps longs d’émulsions fine concentrées dans les écoulements en conduite, notamment les transitions entre configurations d’écoulement, stratifié-dispersé, pleinement dispersé ou encore à phases séparées. Dans ce but, un écoulement de Couette Plan Annulaire a été conçu pour examiner, à l’aide de techniques optiques, ces différentes configurations pour des émulsions concentrées eau-dans-huile, en particulier les effets relatifs de la flottabilité et du cisaillement sur la topologie de la dispersion dans le canal. Dans un premier temps, l’écoulement monophasique dans la géométrie annulaire est caractérisée par simulation numérique et validé par des mesures du champ de vitesse par PIV. Une émulsion métastable eau-dans-huile est ensuite formulée, dans laquelle la différence de densité entre les phases peut être ajustée. L’écoulement de cette émulsion dans le canal est ensuite étudié.

La transition de la configuration stratifiée-dispersée vers pleinement dispersée a d’abord été étudiée. Lorsque le taux de cisaillement est augmenté, cette transition est accompagnée par la succession de divers régimes, le lit statique expansé, le régime à vagues, le régime d’éjection de gouttes et finalement le régime pleinement dispersé. De façon remarquable, le passage d’un régime à l’autre peut être décrit par la valeur critique d’un nombre de Froude unique sur toute la transition.

Par ailleurs, le champ de vitesse de l’ensemble de ces régimes a pu être caractérisé par PIV en milieu optique homogène. Il est démontré que la structure du champ de vitesse est étroitement liée au régime étudié et dépend principalement du nombre de Froude. Les profils de vitesse présentent des formes similaires aux écoulements monophasiques, mais avec des caractéristiques spécifiques dues à des variations locales de viscosité effective de l’émulsion et à l’existence d’une vitesse de glissement à l’interface entre les couches stratifée-dispersée ou à la paroi.

Finalement, pour le système de phases étudié, on montre un effet significatif du cisaille- ment sur la coalescence et la métastabilité d’un lit dense, permettant d’accélérer la transition entre une configuration stratifiée-dispersée vers un système à phases séparées. Ces résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de modèles hydrodynamiques concernant les écoulements d’émulsions denses.

Mots-clés : Emulsions eau-dans-huile, Écoulements cisaillés, Couette Plan Annulaire, Transition de régimes, Métastabilité, Coalescence.