Brevet FR3075068A1 — publié le 20190621

La presente invention concerne le domaine de l'analyse des fluides au moyen d'une puce microfluidique, notamment de l'analyse des fluides petroliers. Afin d'evaluer l'efficacite d'une formulation a injecter dans une formation souterraine dans le cadre d'un procede de recuperation assistee des hydrocarbures (EOR), des experimentations en laboratoire sont faites dans les conditions reelles d'un reservoir (roche, temperature et pression). Ces experimentations sont appelees « coreflood » ou « minicoreflood » suivant la taille de la carotte (echantillon) utilisee. Elles se deroulent en plusieurs etapes. Tout d'abord, la carotte, issue de la roche reservoir ou d'une roche modele est saturee avec l'huile du reservoir ou avec une huile synthetique. Ensuite, le milieu poreux (la carotte) est balaye par de la saumure (eau et sels) pour recuperer l'huile presente dans la carotte. Cette etape, representant une etape de waterflooding, permet de recuperer l'huile « faiblement piege » dans la matrice. Apres cette etape, une formulation pour un procede EOR contenant des tensio-actifs (TA) et/ou du polymere, est injectee dans la carotte (par exemple a un debit variable compris entre 1 et 10 mL/h) pour mobiliser le petrole (huile) restant. Les effluents sortant de la carotte subissent plusieurs caracterisations afin de determiner la quantite d'huile recuperee et la quantite de tensio-actifs recuperes. Ces deux parametres sont cies pour ('optimisation de la formulation pour un procede EOR dans la mesure ou le premier rend compte de l'efficacite de la formulation et le second permet de determiner la quantite de tensioactifs adsorbes. Ce dernier point est egalement primordial dans la mesure ou une quantite importante de tensioactifs absorbes sur la roche peut etre fres limitant en termes d'economie ou de performance du procede EOR, et peut avoir un impact environnemental. Neanmoins, l'obtention de ces informations a posteriori ne sont plus suffisantes : la determination de la quantite d'huile en temps reel est necessaire pour ameliorer le traitement des donnees generees et la determination de la quantite de tensioactifs en ligne permettrait de quantifier la quantite de tensio-actifs retenus dans le milieu poreux de maniere plus precise. Ainsi, la comprehension des interactions fluides-roches est amelioree. Or, les methodes actuelles ne sont pas facilement implementables que ce soit techniquement ou economiquement pour effectuer une caracterisation en ligne. En effet, une mesure in situ de la quantite d'huile par RMN (Resonance magnetique nucleaire) ou par rayon X (tel que fait par l'appareil Cal-XTM pour les mini-corefloods) est fres coOteux, et la mesure de la quantite d'huile produite en tube ne permet pas de donner une information 2 precise. Quant a la determination de la quantite de tensioactif, celle-ci se fait actuellement a l'aide d'un dosage a la hyamine necessitant l'ajout de plusieurs reactifs et un transfert de phase. Ainsi, elle ne peut etre implementee en ligne. 5 Afin de pallier ces inconvenients, la presente invention concerne une puce microfluidique qui comprend des moyens d'analyse (eventuellement des chambres d'analyse) ainsi que des moyens de mélange (jonction et melangeur) d'un fluide avec un fluide aqueux. La puce microfluidique permet de suivre regulierement en ligne le ratio des fluides presents dans la puce. De plus, la puce microfluidique presente un encombrement 10 recluit. L'invention concerne egalement un systeme d'analyse qui comporte une telle puce microfluidique et un dispositif de separation des fluides. Ce systeme permet un suivi regulier en ligne des fluides. 15 Le dispositif selon ('invention La presente invention concerne une puce microfluidique pour melanger au moins deux fluides. Ladite puce microfluidique comprend : - un premier canal avec une premiere entrée pour un premier fluide, - un deuxierne canal avec une deuxierne entrée pour un fluide aqueux, 20 - une jonction desdits premier et deuxierne canaux, - un melangeur desdits deux fluides agence apres ladite jonction, et - une sortie desdits fluides mélanges, ladite sortie etant agencee apres ledit melangeur. 25 Selon un mode de realisation de ('invention, ledit melangeur comporte un canal comprenant une pluralite de chevrons places sur le fond dudit canal. Avantageusement, lesdits chevrons ont une largeur comprise entre 50 et 200 pm et une longueur comprise entre 100 et 400 pm. De maniere avantageuse, ledit canal dudit melangeur a sensiblement une forme de 30 serpentin. Conformement a une mise en oeuvre, ladite puce microfluidique comporte au moins une chambre d'analyse. De preference, une premiere chambre d'analyse est agencee sur ledit premier canal, avant ladite jonction. 35 Avantageusement, une deuxierne chambre d'analyse est agencee en sortie dudit melangeur et avant ladite sortie. 3 Selon un aspect, ladite chambre d'analyse est configuree pour une analyse d'images desdits fluides. Conformement a un mode de realisation, ladite chambre d'analyse a sensiblement une forme hexagonale, circulaire ou merne polyedrique. 5 Selon une mise en oeuvre, ladite puce microfluidique est realisee dans un materiau choisi parmi les polymeres tels que le PDMS (polydimethylsiloxane), les resines reticulables aux UV, le PFA (Perfluoroalkoxy), le Polyamide, les ceramiques telles que les alumines et les nanoparticules de silice, le verre, les analogues du verre tels que borosilicate, la silice fondue et le quartz. 10 Selon une caracteristique, ledit premier fluide comporte une phase organique et/ou une phase aqueuse et/ou un tensioactif et/ou un polymere. De plus, l'invention concerne un systerne d'analyse d'un fluide comportant une puce microfluidique selon l'une des caracteristiques precedentes, et un dispositif de separation du 15 mélange en sortie de ladite puce microfluidique. Selon un mode de realisation, ledit dispositif de separation est un dispositif de separation membranaire, comportant une membrane poreuse. Avantageusement, ledit dispositif de separation membranaire comporte deux puces microfluidiques separees par une membrane poreuse, de preference en PTFE 20 (polytetrafluoroethylene). Selon un aspect, ledit systerne d'analyse comporte des moyens d'analyse d'images d'au moins une chambre d'analyse pour mesurer un ratio de deux phases presentes dans lesdits fluides. Conformement a une mise en oeuvre, ledit systerne d'analyse comporte des moyens 25 de dosage d'au moins un constituant d'une des phases en sortie dudit dispositif de separation, de preference ledit constituant dose est un tensioactif. Selon une caracteristique, lesdits moyens de dosage sont choisis par les moyens de dosage potentiornetrique, la chromatographie liquide, la spectroscopie Ultra-Violet, la spectroscopie Raman, la spectroscopie de Resonnance Magnetique Nucleaire, la 30 spectroscopie Infra-Rouge. En outre, l'invention concerne une utilisation du systerne d'analyse d'un fluide selon l'une des caracteristiques precedentes en sortie d'un systerne de test d'injection d'un fluide dans un milieu poreux pour mesurer au moins la concentration d'un constituant du fluide 35 recupere en sortie dudit milieu poreux. II peut s'agit d'une utilisation pour mesurer le ratio eau/huile dudit fluide recupere en sortie dudit milieu poreux et la concentration en tensioactif dudit fluide recupere. 4 Selon un aspect, le nombre de Reynolds dudit fluide en entrée dudit systeme d'analyse est compris entre 10-3 et100, de preference entre 1,8 et 30. Presentation succincte des figures 5 D'autres caracteristiques et avantages du dispositif selon l'invention et son utilisation, apparaitront a la lecture de la description ci-apres d'exemples non limitatifs de realisations, en se referant aux figures annexees et decrites ci-apres. La figure 1 illustre une puce microfluidique selon un mode de realisation de l'invention. La figure 2 illustre une succession de chevrons d'un melangeur d'une puce 10 microfluidique selon un mode de realisation de l'invention. La figure 3 illustre un systeme d'analyse selon un mode de realisation de l'invention. La figure 4 illustre un dispositif de separation membranaire selon un mode de realisation de l'invention. 15 Description detainee de l'invention La presente invention concerne une puce microfluidique pour melanger au moins deux fluides, pouvant servir pour diluer un premier fluide dans un deuxieme fluide. Une puce micro-fluidique est un ensemble de micro-canaux graves ou moules dans un materiau. Classiquement, les micro-canaux constituant la puce micro-fluidique sont connectes entre 20 eux de maniere a realiser une fonction voulue (mélanges, pompage, tri, controle de l'environnement bio-chimique, mesures, analyses chimiques). Ce reseau de micro-canaux enfermes dans la puce micro-fluidique est relie a l'exterieur par au moins une entrée et au moins une sortie percees a travers la puce, comme des interfaces entre le monde macroscopique et microscopique. Ce sont par ces trous que les fluides sont injectes et 25 evacues de la puce micro-fluidique (au travers de tubes, adaptateurs a seringue ou meme de simples trous dans la puce) avec des systemes actifs exterieurs (controleur de pression, pousse-seringue ou pompes peristaltiques) ou des moyens passifs (par exemple des pressions hydrostatiques). Une puce micro-fluidique peut fonctionner sous pression. La puce micro-fluidique presente l'avantage d'avoir des dimensions reduites, 30 notamment par rapport aux systemes de l'art anterieur. En effet, dans un but de miniaturisation, les dimensions de la puce micro-fluidique sont comprises entre 10x20 mm et 50x100 mm. De plus, les micro-canaux peuvent avoir des diametres compris entre 1 pm et 1000 pm. En outre, les micro-canaux peuvent avoir des longueurs comprises entre quelques cm et quelques m. 5 De preference, les micro-canaux sont sensiblement rectangulaires. Toutefois, les micro-canaux peuvent avoir toute forme adaptee a la circulation du fluide : par exemple cylindrique et de section elliptique, parallelepipedique, etc. Des applications de puces microfluidiques en chimie analytique, dans l'industrie 5 pharmaceutique, ou pour ('analyse biochimique sont decrites notamment dans les demandes brevets suivants : FR 2971953, WO 2010/136347, WO 2006113527. II existe par ailleurs des puces microfluidiques pour la separation de phases organiques et aqueuses. Les demandes de brevet WO 2007/006033 et CN 103055976 decrivent de telles puces microfluidiques. Toutefois, ces puces necessitent une installation particuliere 10 avec le chauffage ou la creation d'un champ electrique dans la puce. Dans la suite de la demande, les termes « canal » et « micro-canal » sont equivalents et designent un canal de la puce microfluidique. 15 La puce microfluidique selon l'invention comprend : - un premier micro-canal, avec une premiere entrée pour un premier fluide, en general le fluide a analyser, - un deuxieme micro-canal, avec une deuxieme entrée pour un deuxieme fluide, le deuxieme fluide est un fluide aqueux, de preference de l'eau, 20 - eventuellement, une premiere chambre d'analyse du premier fluide, la premiere chambre d'analyse est agencee sur le premier micro-canal, pour realiser une analyse du premier fluide, - une jonction du premier micro-canal avec le deuxieme micro-canal pour que les deux fluides soient injectes dans un seul micro-canal, Ia jonction est, le cas 25 echeant, agencee en sortie de Ia premiere chambre d'analyse, - un melangeur des fluides, pour realiser le mélange des deux fluides mis en contact, le melangeur des fluides est agence apres Ia jonction des premier et deuxieme micro-canaux, - eventuellement une deuxieme chambre d'analyse du mélange, Ia deuxieme 30 chambre d'analyse est agencee sur un micro-canal en sortie du melangeur, pour realiser une analyse des deux fluides mélanges, - une sortie des fluides mélanges, Ia sortie est agencee sur un micro-canal apres l'echangeur, et le cas echeant en sortie de Ia deuxieme chambre d'analyse du mélange. 35 Selon un mode de realisation de l'invention, le premier fluide peut comprendre une phase organique (huile) et/ou une phase aqueuse et/ou au moins un tensioactif et/ou ou 6 moins un polymere, etc. De preference, le premier fluide est un fluide petrolier qui comporte au moins une phase organique et un tensioactif. Le fluide peut avoir la forme d'une emulsion ou d'une microemulsion. 5 La puce microfluidique permet un mélange d'un fluide a analyser, avec un fluide aqueux, afin de realiser une dilution du fluide a analyser. Dans le cadre d'un effluent petrolier, cette dilution permet de reduire la salinite de ('effluent petrolier, dans le but de transferer les tensioactifs du fluide petrolier dans la phase aqueuse, permettant ainsi une quantification plus aisee des tensioactifs. Dans le cas d'une viscosite trop importante du 10 petrole, une troisieme entrée avec un troisieme canal peut egalement etre ajoutee afin d'injecter un troisieme fluide, par exemple un solvant organique de maniere a diluer le premier fluide avec un solvant organique. La troisieme entrée et le troisieme canal peuvent etre agences entre la premiere chambre d'analyse et la seconde entrée. 15 De plus, grace aux chambres d'analyse, la puce microfluidique permet une analyse des fluides, notamment au moyen d'une analyse d'images du contenu de ces chambres d'analyse. II est ainsi possible de determiner au moins en partie la constitution des fluides presents dans les chambres d'analyse, ou un ratio de deux phases presentes dans les fluides (par exemple un ratio huile/eau ou eau/huile). 20 Pour ce mode de realisation d'analyse d'image, on realise une acquisition photo ou video des chambres d'analyse. En effet, a l'echelle microfluidique, it est facile d'interfacer une acquisition de photographies et de videos. Pour cela, les videos et/ou les photographies peuvent subir des traitements, en utilisant des logiciels tels que MatLab et ImageJ en se basant le plus souvent sur la difference de niveau de gris entre les deux phases. Dans le cas 25 0E1 le premier fluide est un effluent petrolier, et vu la grande difference de couleur entre l'eau et l'huile, un traitement base sur le niveau de gris d'une certaine section d'un canal microfluidique ou bien d'une chambre d'observation peut donner une information sur la composition du fluide, par exemple un ratio eau/huile. Selon un aspect de ('invention, l'epaisseur des chambres d'analyse est petite de fagon 30 a ce qu'elle snit inferieure au diametre des gouttelettes des fluides injectes pour eviter la superposition de ces dernieres. Conformement a une mise en oeuvre de ('invention, les chambres d'analyse peuvent avoir sensiblement une forme hexagonale. Toutefois, les chambres d'analyse peuvent avoir toute autre forme comme par exemple polyedrique, circulaire, etc. 35 Selon un mode de realisation de ('invention, le melangeur peut etre forme par un micro-canal comprenant une pluralite de chevrons creant un relief sur le fond du micro-canal. En 7 d'autres termes, le micro-canal comporte des reliefs ayant sensiblement la forme d'un signe inferieur REVENDICATIONS1) Puce microfluidique pour melanger au moins deux fluides, caracterisee en ce que ladite puce microfluidique (1) comprend : - un premier canal (4) avec une premiere entrée (2) pour un premier fluide, - un deuxierne canal (5) avec une deuxierne entrée (3) pour un fluide aqueux, - une jonction (7) desdits premier (4) et deuxierne (5) canaux, - un melangeur (8) desdits deux fluides agence apres ladite jonction (7), et - une sortie desdits fluides mélanges (12), ladite sortie (12) etant agencee apres ledit melangeur (8). 2) Puce microfluidique selon la revendication 1, dans laquelle ledit melangeur (8) comporte un canal (9) comprenant une pluralite de chevrons (13) places sur le fond dudit canal (9). 3) Puce microfluidique selon la revendication 2, dans laquelle lesdits chevrons (13) ont une largeur comprise entre 50 et 200 pm et une longueur comprise entre 100 et 400 pm. 4) Puce microfluidique selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle ledit canal (9) dudit melangeur (8) a sensiblement une forme de serpentin. 5) Puce microfluidique selon l'une des revendications precedentes, dans laquelle ladite puce microfluidique (1) comporte au moins une chambre d'analyse (6, 10). 6) Puce microfluidique selon la revendication 5, dans laquelle une premiere chambre d'analyse (6) est agencee sur ledit premier canal (4), avant ladite jonction (7). 7) Puce microfluidique selon l'une des revendications 5 ou 6 dans laquelle une deuxierne chambre d'analyse (10) est agencee en sortie dudit melangeur (8) et avant ladite sortie (12). 8) Puce microfluidique selon l'une des revendications 5 a 7, dans laquelle ladite chambre d'analyse (6, 10) est configuree pour une analyse d'images desdits fluides. 9) Puce microfluidique selon l'une des revendications 5 a 8, dans laquelle ladite chambre d'analyse (6, 10) a sensiblement une forme hexagonale, circulaire ou merne polyedrique. 10) Puce microfluidique selon l'une des revendications precedentes, dans laquelle ladite puce microfluidique (1) est realisee dans un materiau choisi parmi les polymeres tels que 15 le PDMS (polydimethylsiloxane), les resines reticulables aux UV, le PFA (Perfluoroalkoxy), le Polyamide, les ceramiques telles que les alumines et les nanoparticules de silice, le verre, les analogues du verre tels que borosilicate, la silice fondue et le quartz. 5 11) Puce microfluidique selon l'une des revendications precedentes, dans laquelle ledit premier fluide comporte une phase organique et/ou une phase aqueuse et/ou un tensioactif et/ou un polymere. 10 12) Systeme d'analyse d'un fluide comportant une puce microfluidique (1) selon l'une des revendications precedentes, et un dispositif de separation (15) du mélange en sortie de ladite puce microfluidique (1). 13) Systeme d'analyse selon la revendication 12, dans lequel ledit dispositif de separation 15 (15) est un dispositif de separation membranaire, comportant une membrane poreuse. 14) Systeme d'analyse selon la revendication 13, dans lequel ledit dispositif de separation membranaire comporte deux puces microfluidiques (22, 23) separees par une membrane poreuse (24), de preference en PTFE (polytetrafluoroethylene). 20 15) Systeme d'analyse selon l'une des revendications 12 a 14, dans lequel ledit systerne d'analyse comporte des moyens d'analyse d'images d'au moins une chambre d'analyse pour mesurer un ratio de deux phases presentes dans lesdits fluides. 25 16) Systeme d'analyse selon l'une des revendications 12 a 15, dans lequel ledit systerne d'analyse comporte des moyens de dosage (16) d'au moins un constituant d'une des phases en sortie dudit dispositif de separation (15), de preference ledit constituant dose est un tensioactif. 30 17) Systeme d'analyse selon rune des revendications 12 a 16, dans lequel lesdits moyens de dosage (16) sont choisis par les moyens de dosage potentiornetrique, la chromatographie liquide, la spectroscopie Ultra-Violet, la spectroscopie Raman, la spectroscopie de Resonnance Magnetique Nucleaire, la spectroscopie Infra-Rouge. 35 18) Utilisation du systerne d'analyse d'un fluide selon l'une des revendications 12 a 17 en sortie d'un systerne de test (14) d'injection d'un fluide dans un milieu poreux pour 16 mesurer au moins la concentration d'un constituant du fluide recupere en sortie dudit milieu poreux. 19) Utilisation selon la revendication 18 pour mesurer le ratio eau/huile dudit fluide recupere 5 en sortie dudit milieu poreux et la concentration en tensioactif dudit fluide recupere. 20) Utilisation selon I'une des revendications 18 ou 19, dans laquelle le nombre de Reynolds dudit fluide en entrée dudit systerne d'analyse est compris entre 10-3 et 100, de preference entre 1,8 et 30. 10