La dynamique de formation de mousse dans l’espace poreux d’un modèle mésoporeux microfluidique a été analysée lors du déplacement de la solution tensioactive par injection de gaz (air) à débit volumétrique constant. L’évolution de la structure de la mousse et la réversibilité du mouvement des gaz (viscosité apparente du gaz) ont été évaluées en fonction de la concentration en tensioactif.

Modèle microfluidique

Des expériences d’injection de fluide ont été réalisées sur un milieu poreux microfluidique modèle en verre borosilicaté, fabriqué par Micronit. Le micromotif est mouillé avec de l’eau et contient une matrice poreuse d’une longueur de 20 mm × une largeur de 10 mm et d’une profondeur de gravure de 20 µm. Les chambres de distribution du débit d’entrée et de sortie ont une largeur de 500 µm. Le dispositif est conçu en plaçant de manière aléatoire des structures en forme de grain de roche pour ressembler à la géométrie réelle d’une tranche de roche de grès. Des corps poreux et des gorges apparaissent entre les structures matricielles solides. La taille approximative du plus petit anneau est de 12 µm, tandis que celle du plus grand est d’environ 250 µm. Le volume poreux est de 2,3 µL, ce qui correspond à une porosité de 0,57. La perméabilité du modèle, selon le fournisseur, est de 2,5 D. Les valeurs absolues de porosité et de perméabilité sont supérieures à celles des roches réservoirs typiques, cependant, travailler avec une géométrie 2D transparente permet de visualiser les événements à l’échelle des pores et la corrélation entre ceux-ci. événements et comportement d’écoulement macroscopique. La figure 1 montre une image du petit modèle. La répartition des phases a évolué dans une zone de 9,33 x 5,32 mm² Le microcosme, surligné en jaune sur la figure, a été enregistré pendant toute la durée des expériences afin d’évaluer l’évolution de la texture de la mousse et de déterminer le nombre de lamelles dans l’espace poreux. Après avoir atteint un état stable, une image de l’ensemble de l’espace poreux a été obtenue.

Configuration et procédure expérimentales

Le dispositif expérimental est schématisé sur la figure 2. Les phases aqueuses et gazeuses ont été injectées à l’aide d’un pousse-seringue (Harvard Apparatus) avec des seringues en verre scellées (Hamilton), avec terminaison en téflon et couplage Luer-Lock. Une vanne à trois voies a été utilisée pour connecter le transducteur de pression à la conduite d’injection. Le dispositif microfluidique a été placé sur la platine d’un microscope inversé (Leica DMi8) pour la visualisation. Une caméra Leica MC170 HD a été utilisée pour enregistrer l’évolution de l’injection de gaz et de la formation des plaques au cours de chaque expérience.

La pression différentielle a été mesurée à l’aide d’un transducteur de pression DP15TL (Validyne) placé au-dessus du dispositif microfluidique. Les membranes utilisées ont une finesse de 0,5 % et des plages de pression de 0 à 5 psi et de 0 à 20 psi. Le port était à ciel ouvert.

Afin d’assurer une saturation complète de l’espace poreux avec la phase aqueuse sans bulles de gaz, le microcosme a d’abord été saturé de dioxyde de carbone. Après cette première étape, le modèle a été complètement saturé de phase aqueuse (eau ou solution tensioactive).

La phase aqueuse a été déplacée par injection de gaz à un débit volumétrique constant de \(q_g = 1\) ml/h jusqu’à ce que la pression différentielle atteigne l’état stable. L’éventail des figures poétiques a été exploré \(Ca = \mu _a V / \sigma = 2,1 \times 10^{-5}\) à \(4,1\fois 10^{-5}\). Le nombre capillaire est défini en fonction de la viscosité de la phase aqueuse \(\Mo _a\)la tension superficielle entre les phases \(\sigma\) Et la vitesse de Darcy Cinquième.

Le dodécylsulfate de sodium (SDS) était le tensioactif utilisé dans les expériences. La solution a été préparée en dissolvant le tensioactif en poudre dans de l’eau déminéralisée et filtrée sur un filtre de 0,45 µm. Un colorant aqueux a été ajouté à la solution tensioactive pour mieux distinguer le liquide des autres liquides et de la matrice vitreuse lors des expériences de visualisation.

Des mesures de tension superficielle ont été effectuées dans des solutions aqueuses de SDS afin de déterminer la concentration micellaire critique (CMC) du système. Toutes les mesures ont été effectuées sur un tonomètre DCAT25 par DataPhysics Instruments à l’aide d’une plaque Wilhelmy. Les valeurs de tension superficielle rapportées ont été obtenues à une température constante de 23 °C. La tension superficielle d’équilibre de l’eau avec le colorant rouge utilisé pour préparer les solutions était de 61,6 mN/m. La valeur de la tension superficielle se stabilise à 34,4 mN/m à une concentration de tensioactif suffisamment élevée. La concentration micellaire critique (CMC) mesurée était d’environ 3 g/L.

Quantification par analyse d’images

Les images enregistrées au cours de chaque expérience ont été traitées à l’aide de Fiji Is Just ImageJ.²⁶, qui possède plusieurs plugins intégrés qui facilitent l’analyse scientifique des images. L’objectif principal de l’analyse d’images était d’évaluer la phase aqueuse restante et de déterminer l’évolution de la numération plaquettaire.

Tout d’abord, une image du dispositif entièrement saturé d’air a été utilisée pour déterminer la composition de la matrice solide et l’espace des pores. Cette image s’appelle masque.

Lors du déplacement de la solution tensioactive par injection de gaz, les images acquises toutes les 10 s à partir de la vidéo enregistrée ont été analysées. La figure 3 montre un exemple de ces images. La présence de films liquides délimitant de multiples bulles de gaz est évidente.

Milieu poreux après déplacement de la solution tensioactive par l’air. L’espace poreux présente plusieurs lamelles.

Le plugin s’appelle BUnwarpJ Il a été utilisé pour aligner les images à chaque pas de temps et masquece qui est essentiel pour les soustractions d’images utilisées pour calculer le nombre de plaques. BUnwarpJ Il s’agit d’un algorithme pour l’enregistrement d’images flexible et cohérent²⁷. Les macro-commandes Fidji utilisées pour ce processus sont :

L’étape suivante consistait à dupliquer les deux images. Trois algorithmes de seuillage, Isodata, ont été utilisés²⁸Huang²⁹ Et le triangle³⁰, en fonction des conditions d’éclairage de chaque expérience. Objets pseudo-isolés (moins de 100 pixels²) Il est possible qu’il y ait de la saleté dans le dispositif en verre ou que des impuretés présentes dans les liquides aient été éliminées après la double procédure. Les macro-commandes Fidji utilisées pour ces opérations sont :

Pour isoler les lamelles et supprimer les limites de matrice solide de l’image, une opération booléenne (ET) a été effectuée entre les images binaires et alignée pour chaque pas de temps et l’image inversée. masque. La macro-commande Fidji utilisée pour cette opération est :

En raison de petites différences dans la représentation des joints de grains solides dans les deux images, le processus de soustraction n’est pas idéal et génère de très petits objets. Objets inférieurs à 10 pixels² Supprimé à l’aide des commandes :

Le résultat de ces opérations est représenté sur la figure 4. Le nombre de plaques n’est pas égal au nombre d’objets isolés sur la figure 4, car différentes plaques peuvent être reliées pour former un seul objet. Pour isoler chaque tranche, les objets sont structurés, ce qui implique de supprimer à plusieurs reprises des pixels des limites des objets jusqu’à ce qu’ils soient réduits à des formes d’un pixel de large. Brancher Analyse du squelette 2D/3D Il est utilisé pour trier la branche, le nœud et le point final de chaque objet et les représenter dans différentes couleurs³¹. Les nœuds (connexion entre différentes branches) ont une tonalité inférieure à 71, ils peuvent donc être supprimés par un processus de seuillage. Les macro-commandes Fidji utilisées pour ces opérations sont :

Une image claire contenant les plaques.

Le résultat de ces processus est représenté dans la figure 5, qui montre (a) l’image originale, contenant des joints de grains solides et des lamelles, et (b) l’image structurelle après soustraction. masque et (c) l’image dans laquelle les nœuds et les lamelles ne sont pas connectés les uns aux autres.

(une(Image originale, les nœuds sont marqués d’un cercle rouge, (B(Nœuds identifiés dans l’image structurelle, (C) Image avec les nœuds supprimés.

Suite à la série d’opérations sur l’image décrite précédemment, le nombre de plaques est égal au nombre d’objets isolés dans l’image. Lors de la quantification du nombre de plaques, seuls les objets de plus de 15 pixels sont sélectionnés² (\(\environ 18,2^2 \mu m^2\)) sont considérés. Le nombre de feuilles dans l’image est déterminé par la commande :

Les ensembles de commandes de macro précédents sont regroupés en une seule macro qui peut être exécutée automatiquement et de manière répétée. La macro prenait une image de référence en entrée et parcourait une série d’images contenant des plaques, donnant le nombre de plaques par image en sortie.