Rheology of wormlike micelle solutions : trigger of elastic instabilities

Les solutions de micelles géantes sont utilisées dans plusieurs domaines industriels pour augmenter la viscosité d'une solution. Elles présentent un caractère viscoélastique bénéfique pour la fracturation hydraulique des roches pétrolifères car elles permettent de transporter le sable et de le maintenir en suspension. Cette thèse étudie les propriétés rhéologiques d’une solution commerciale destinée à la fracturation hydraulique. Cette solution est particulièrement délicate à caractériser car ses écoulements semblent être toujours instables. Nous avons mis au point une méthodologie permettant de la caractériser en régime laminaire, et avons montré que ce régime n’existe à température ambiante que pour des très faibles valeurs de taux de cisaillement. Habituellement, le comportement rhéologique dans le régime linéaire de ce type de solution est prédit par le modèle de Maxwell. Nous mettons en évidence que le comportement rhéologique de la solution étudiée ne correspond pas à ce modèle. Nous avons établi un modèle viscoélastique compatible avec les données expérimentales.Les instabilités d’écoulement de ces solutions sont d’origine élastique. Ce phénomène est largement étudié dans la littérature. Le comportement rhéologique dans le domaine non linéaire possède des caractéristiques propres à ces solutions. Notamment l’apparition d’un plateau de contrainte dans la courbe d’écoulement, précédé par une augmentation linéaire de la contrainte avec le cisaillement. Le début de ce plateau coïncide avec le déclenchement des instabilités, on parle de taux de cisaillement critique. La particularité de cette solution est la valeur faible de la contrainte plateau ainsi que du taux de cisaillement critique. Les valeurs observées sont cohérentes avec la valeur des paramètres rhéologiques obtenus dans les régimes d’écoulement laminaire. L’effet de certains paramètres physico-chimiques sur la rhéologie est également exploré.Giant micelle solutions are used in several industrial domains to increase the viscosity of solution. Their viscoelastic characteristic is beneficial for hydraulic fracturing of oil rocks because these solutions are able to transport sand and to keep it in suspension. This thesis examines the rheological properties of a commercial solution, designed for hydraulic fracturing. This solution is particularly difficult to characterize because its flows seem to be always unstable. We have developed a methodology to characterize it in the laminar regime and we have shown that this regime exists at room temperature only for very low shear rate values. Usually, the rheological behavior of this type of solution, in the linear regime, is predicted by the Maxwell model. We prove that the rheological behavior of the studied solution doesn’t match this model. We have designed a viscoelastic model that is compatible with experimental data.The origin of flow instabilities of these solutions is elastic. This phenomenon is widely studied in the literature. The rheological behavior in the nonlinear regime has characteristics specific to these solutions. In particular, the appearance of a stress plateau in the flow curve, preceded by a linear increase of stress with shear. The beginning of this plateau match the onset of instabilities at a critical shear rate. The feature of this solution is the low value of the stress plateau as well as the critical shear rate value. They are consistent with the value of rheological parameters obtained in laminar flow regimes. The effect of some physico-chemical parameters on rheology is also explored