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Varia

De la récupération assistée du pétrole à la renaissance en France de la chimie des tensioactifs

Armand Lattes, professeur émérite des universités, membre de l’Académie nationale de pharmacie. Ancien président du Comité d’action concertée « Récupération assistée du pétrole », de la Société française de chimie, et de la Société de chimie industrielle. Auteur de plus de quatre cent cinquante publications en chimie organique et en chimie colloïdale.
From Enhanced Oil Recovery to the French revival of surfactant chemistry
Armand Lattes y Jean-Louis Salager
p. 73-85

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Le premier choc pétrolier a été un véritable tsunami économique ! En réaction, la DGRST a créé un comité incitant les chercheurs à étudier les problèmes fondamentaux concernant la Récupération assistée du pétrole, en particulier par injection d’eau améliorée. Les nombreux et importants résultats obtenus ont permis une augmentation du taux de récupération du pétrole et ont trouvé des applications dans divers domaines.

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1Le 6 octobre 1973, jour de la fête juive Yom Kippour, l’Égypte et la Syrie lancèrent une attaque surprise contre Israël dans le but de récupérer les territoires qui avaient été conquis par ce pays pendant la guerre des Six Jours, essentiellement la péninsule du Sinaï et le plateau du Golan. Un temps tenue en échec, l’armée israélienne se regroupa et reprit l’initiative en menant une contre-offensive l’amenant à franchir le canal de Suez et à neutraliser l’armée égyptienne. Cette guerre devait se terminer par un cessez-le-feu le 24 octobre 1973, cessez-le-feu ratifié par l’ONU le 25 octobre 1973.

2Dès le 14 octobre 1973, les USA avaient apporté une aide importante aux Israéliens, en particulier grâce à l’opération Nickel Grass qui avait organisé un pont aérien pour leur livrer des armes, des chars, etc…

3Les pays arabes, producteurs de pétrole et membres de l’OPEP réunis au Koweit les 16 et 17 octobre 1973, réagirent contre cette initiative en prenant unilatéralement un certain nombre de mesures, notamment :

  • en proclament un embargo sur les livraisons de pétrole contre les états qui soutenaient Israël (USA et Europe occidentale) ;

  • en augmentant de 70 % le prix du baril de brut ;

  • en imposant, enfin, une réduction drastique de la production de l’ordre de 25 %.

4Ainsi, en quelques mois le prix du baril de pétrole quadrupla et la pénurie s’installa dans certains pays ! Devant cette situation les pays consommateurs réagirent de façon différente : deux politiques s’imposèrent cependant à tous les décideurs :

  • améliorer les rendements énergétiques ;

  • diversifier les sources d’énergie.

5En France, l’accent fut mis sur l’utilisation de l’énergie nucléaire ce qui devait conduire à la construction de nombreuses centrales. Par ailleurs, dans le contexte international et en raison des problèmes économiques qui en résultaient, le secteur « Énergie-matières premières » de la Mission scientifique et technique (MST) fut chargé de mettre en place des structures de recherche et de réflexion. C’est dans ce cadre que fut créé, par la Délégation à la recherche scientifique et technique (DGRST) (1), en 1974, un Comité « Recherches sur certaines sources d’énergie complémentaires » qui fut subdivisé en cinq groupes :

  • géothermie ;

  • énergie solaire ;

  • schistes bitumineux ;

  • économies d’énergie dans l’industrie ;

  • récupération assistée du pétrole (RAP), qui devait devenir par la suite une Action complémentaire coordonnée.

6C’est ce dernier groupe dont on va raconter l’histoire et qui va faire l’objet de notre analyse. Créé à la demande des pétroliers, il avait pour mission essentielle de « motiver un certain nombre de laboratoires universitaires sur des problèmes fondamentaux, essentiellement pour atteindre une augmentation significative du taux de récupération du pétrole lors de l’exploitation des gisements, par des procédés de stimulation physique, chimique, ou physico-chimique ». À l’intérêt économique évident s’ajoutait un aspect politique et psychologique auprès des pays producteurs : de meilleurs résultats seraient un atout supplémentaire de négociation.

7La motivation des universitaires étant à la base de la réussite de ce projet, le délégué général de l’époque, le professeur Hubert Curien, fit appel à Armand Lattes, jeune professeur de l’université Paul Sabatier de Toulouse, pour prendre la responsabilité de ce groupe. Lorsque ce dernier fut informé de la proposition par Hubert Curien, il déclina tout d’abord l’offre de présider cette entité en donnant comme argument sa méconnaissance du problème. Hubert Curien lui répondit que lorsqu’on interrogeait les universitaires, ils faisaient tous la même réponse ! Désireux de faire avancer la constitution du groupe et son démarrage, il lui intimait, courtoisement mais fermement, l’ordre d’accepter cette charge, ce qui fut fait !

Mais qu’est-ce donc que la récupération assistée du pétrole ? (en anglais : Enhanced Oil Recovery ou EOR)

8Un gisement n’est pas, comme cela est souvent interprété par le public, un lac souterrain où il suffit de puiser, mais c’est une roche qui contient le pétrole dans ses pores : ceux-ci étant suffisamment petits (capillaires) en extraire ce liquide visqueux n’est pas simple dans la pratique. Dès lors, l’exploitation d’un champ pétrolifère s’effectue suivant plusieurs étapes que l’on désigne par un ordre (éventuellement) chronologique :

  • récupération primaire lorsque l’huile arrive spontanément à la surface grâce à la présence de gaz comprimé, ou aux différences de pression hydrostatique ou géostatique. Les quantités recueillies pendant cette phase sont en général peu importantes (5-10 %) par rapport aux potentialités du gisement ;

  • récupération secondaire : elle consiste à utiliser des méthodes qui ne modifient pas les propriétés physico-chimiques de l’huile, mais la remplacent par un autre fluide, nécessairement meilleur marché. On distingue ainsi, l’utilisation de pompes immergées, l’injection d’eau (méthode fréquemment employée), l’injection du gaz de la formation ou d’autres gaz miscibles (azote, CO2...) ;

  • récupération tertiaire (ou améliorée) : ici les propriétés physico-chimiques de l’huile vont être modifiées, par exemple en abaissant la viscosité du pétrole ou en facilitant sa mobilité dans le gisement. On obtient ces résultats en injectant de la vapeur d’eau, de la chaleur, du CO2, des gaz non miscibles, ou mieux encore des surfactifs et des polymères. D’autres méthodes, comme l’injection de microorganismes capables de diminuer la longueur des chaînes des hydrocarbures et de produire in situ des tensioactifs et du CO2, ont été proposées. On désigne parfois la récupération assistée comme la combinaison des deux dernières étapes. Quoiqu’il en soit, c’est l’étude du réservoir et de l’huile et les moyens naturels sur place qui vont déterminer la nature des actions à mener.

9Avant de constituer son équipe, Armand Lattes fit la tournée des trois groupes industriels pétroliers de l’époque (2) : Elf-Aquitaine (Société la plus engagée dans cette voie), la Compagnie française des pétroles (CFP) et l’Institut français du pétrole. À partir des renseignements obtenus et de ses propres recherches bibliographiques, le président « désigné » rédigea un appel d’offres qui, dans un premier temps, fut refusé par le délégué général car sa taille dépassait de beaucoup celle habituellement retenue dans les autres Comités. A. Lattes lui répondit que cet argument ne pouvait être retenu car, comme cela lui avait été précisé dès le début des discussions, il était dit que les universitaires ignoraient en quoi consistait la RAP ; le document complet, qui avait demandé pas mal de travail, devait leur permettre de s’informer et, éventuellement en fonction de leur spécialité, de participer aux recherches. L’appel d’offre fut accepté sous cette forme ; il devait s’enrichir par la suite de nouvelles informations et propositions, augmentant en taille, sans que ces reproches initiaux fussent repris. (3)

10La première équipe à qui incombait la tâche de lancer l’appel d’offres - examiner les réponses, les classer, retenir et financer les projets les plus intéressants, suivre le déroulement des travaux, etc. - fut alors constituée en fonction d’un principe de « parité » entre industriels et universitaires ; ce principe devait être retenu par la suite dans toutes les analyses des projets et le suivi de leur réalisation. C’est ainsi que tout projet subventionné par la DGRST se voyait accompagné par deux membres du comité, un universitaire et un industriel, qui se déplaçaient plusieurs fois durant sa réalisation pour en suivre les progrès.

11Une quinzaine d’experts dont les compétences couvraient les différents champs d’investigation correspondant aux thèmes proposés par l’appel d’offres fut ainsi retenue, à savoir :

  • interactions matière organique-matière minérale ;

  • polymères ;

  • tensioactifs ;

  • techniques d’analyse ;

  • divers.

12La communauté universitaire répondit à cet appel par une série de propositions en accord avec les espérances du Comité. Un rapide examen de ces réponses montre leur adéquation aux problèmes posés :

  1. Étude de l’adsorption des constituants du brut et de la phase aqueuse injectée sur les surfaces des roches, avec la mesure de l’énergie d’adhésion et des facteurs qui l’influencent (École des mines, UPMC, Nancy) ;

  2. Outre les préparations et caractérisations de fractions de polyacrylamide destinées aux contractants, de nouveaux polymères et copolymères solubles dans l’eau ont été proposés. Dès le début des travaux on constate une préférence pour les polyacrylamides plus ou moins hydrolysés et l’émergence des polysaccharides qui devaient, par la suite, prendre une place plus importante.

À cela s’ajoutaient des recherches sur la dégradation chimique et la stabilité des polymères, ainsi que sur la circulation des solutions des polymères dans les milieux poreux. (Dans tous ces domaines forte contribution des équipes du CRM - Centre de recherche sur les macromolécules - de Strasbourg) ;

  1. Curieusement ce sont les tensioactifs non ioniques qui ont été proposés les premiers alors que, par la suite, l’intérêt s’est déplacé vers les anioniques (en particulier le SDS). Les non ioniques ont été étudiés pour leur propriété de solvant des bruts entraînant évidemment des études sur la structure des phases micellaires isotropes qu’ils formaient. À cet égard, c’est une équipe de l’université de Pau et des Pays de l’Adour (Pr. Rousset, Dr. J. Lachaise, Dr. A. Graciaa) qui possédait les compétences nécessaires pour utiliser la diffusion de la lumière afin de mesurer les tailles des gouttelettes d’eau ou d’huile dispersées dans la phase réciproque, qui a apporté les premiers résultats importants en matière de physicochimie des microémulsions (vide infra) ;

  2. En matière d’analyse, une équipe de l’université de Bordeaux proposa d’utiliser la spectroscopie de fluorescence pour identifier les aromatiques dans les huiles et les roches magasins ;

  3. Sous le thème « divers » étaient rassemblées des propositions qui complétaient parfois celles qui précèdent ; ainsi pour les tensioactifs, l’IRCHA (Institut de recherche en chimie appliquée) devait préparer des produits parfaitement définis qui seraient mis à la disposition des contractants (on retrouve ici la même proposition que lors du thème polymère : cela correspondait à un choix du comité d’inciter les équipes à travailler avec des produits standards et identiques de façon à pouvoir comparer les résultats).

13Sous ce même thème on trouvait, en vrac, des études de solubilisation par des agents structurants et déstructurants, ou par des tensioactifs fluorés (qui abaissent considérablement la tension superficielle des solutions aqueuses) etc…

14Pendant toute la durée de l’action DGRST (1974-1982) tous ces thèmes ont été largement abordés de façon à pouvoir répondre aux questions posées par l’application des différentes méthodes de récupération assistée.

15Cependant, dès la première période des activités du Comité, ce fut le procédé d’amélioration de récupération du pétrole par l’injection de solutions aqueuses de tensioactifs et de polymères qui fut retenu, avec un intérêt particulier pour la formation de systèmes complexes, les microémulsions, grâce auxquels on devait obtenir une dissolution facile des hydrocarbures et un lessivage optimum de la roche. Rappelons qu’une microémulsion peut être définie de façon générale comme un mélange de trois ou quatre constituants :

  • un tensioactif, molécule ayant une longue chaîne carbonée et une tête polaire ionique ou non ; pour des raisons de coût ce sont surtout des sulfonates de coupes pétrolières naturelles ou de synthèse qui sont utilisés ;

  • un co-tensioactif, molécule à courte chaîne carbonée et à tête polaire (exemple le butane-1-ol) ; le rôle du co-tensioactif étant de rendre compatible le tensioactif principal avec les phases, en particulier d’éviter sa précipitation dans l’eau salée, il n’est pas absolument nécessaire, et on peut produire le même effet en sélectionnant le tensioactif, en mélangeant divers tensioactifs ou par une augmentation de température ;

  • de l’eau ou une saumure contenant éventuellement des sels ;

  • une huile, le pétrole dans le cas présent.

16L’exploitation consiste alors à injecter une certaine quantité d’un tel mélange (macroscopiquement homogène) dans un puits d’injection ou à le former en fonds de puits, et de poursuivre le procédé en injectant une solution de polymères hydrosolubles (polyacrylamides plus ou moins hydrolysés, xanthane...) et de pousser avec de l’eau entraînant en régime diphasique le brut déplacé par la basse tension, jusqu’à ce que la solution aqueuse, ou l’eau, arrive au puits de production. L’utilisation des tensioactifs et viscosifiants devait permettre d’augmenter la production finale, de la valeur classique de 20 à 30 % du brut contenu dans les réservoirs par le drainage à l’eau à une valeur de 30 à 60 % et peut être même davantage.

17On conçoit que ce procédé comporte de nombreuses inconnues : comportement des fluides lors de leur parcours, mécanisme d’action sur le pétrole inclus dans les capillaires, stabilité des systèmes et des produits, etc... Il s’agissait bien de questions fondamentales qui étaient posées aux universitaires et ce fut, en général, par des approches fondamentales qu’elles furent abordées par les scientifiques français.

18Un travail fondamental a néanmoins besoin de support expérimental, ce qui demande ici la réalisation d’un grand nombre d’expériences, et donc du personnel, ce que la législation française n’autorise pas facilement... Compétences, accès à une recherche plus avancée que la nôtre dans le domaine de la récupération améliorée, tout cela se trouvait dans certains laboratoires américains, incitant les membres du Comité à amorcer une collaboration avec les chercheurs américains, en particulier de l’université du Texas à Austin.

Situation des USA face à la crise et notre collaboration avec l’université du Texas à Austin

19L’embargo OPEP d’octobre 1973 n’a pas affecté profondément la France, en particulier en raison des bonnes relations entretenues avec l’Arabie saoudite et de sa politique de non alignement vis-à-vis des USA. Cependant les événements ont fait prendre conscience de sa dépendance croissante envers les hydrocarbures et de la baisse drastique de son niveau d’indépendance énergétique. La situation était différente aux USA où il y avait des queues notables dans les stations-service début 1974 ; toutefois, quand les négociations des USA après la guerre de Yom Kippour furent suffisamment convaincantes, la production internationale retourna presque à la normale, mais à 12 $ le baril, fin 1974, soit quatre fois plus cher qu’au début des années soixante-dix.

20Cette hausse des prix n’était pas seulement due à la crise de l’embargo, mais aussi à la dépréciation du dollar US par rapport à l’or après le retrait des USA de l’accord Bretton-Woods en 1971 (4). Cette dépréciation du dollar avait diminué les bénéfices des membres de l’OPEP et a donc contribué à un ajustement du prix du baril. Étant donné que grâce au contrôle des Seven Sisters (5) le coût du baril n’avait pas varié de plus de 2 % par an de 1947 à 1967, une augmentation de 400 % (de 3 à 12 $ par baril) suivie de restrictions de production qui devait amener le baril à 36 $ dans la crise qui accompagna le départ du Shah d’Iran, altéra l’économie et augmenta notablement l’inflation durant les années soixante-dix !

21En 1974-75 l’embargo motiva les USA à changer radicalement leur politique concernant l’exploration-production de pétrole alors même que les économies d’énergie et les alternatives vertes ne pouvaient pas résoudre les problèmes dans l’immédiat. L’ERDA (Energy Research and Development Administration) fut créée en 1974 - mais n’a été véritablement en état de marche qu’au début 1975 - avec un budget de plus de trois milliards de $ US et plus de cinq mille employés. Il en résulta des financements de R&D dans divers centres publics (Barteville et autres lieux), privés (la majorité des grandes compagnies), et dans des universités (tableau 1). Ceux-ci n’étaient pas réservés aux seuls travaux en récupération assistée du pétrole et du gaz, mais aussi à différents secteurs concernant l’énergie et cela dans l’ordre indiqué dans le tableau 2.

Université du Texas à Austin (W. Wade et R. Schechter)

Université de Floride à Gainsville (D.O. Shah)

Université de Rice (C. Miller)

Université de Minnesota (L. Scriven, H.T. Davis, P. Kilpatrick)

Université de Colombia (P. Somasundaran)

Université du Missouri (S. Friberg)

Institut de Technologie de l’Illinois (D. Wasan)

Exxon Production Research (R. Reed, R. Healy et C. Huh)

Shell development (G. Hirasaki, R. Nelson, G. Pope)

22Tableau 1 : Principales universités américaines et quelques laboratoires pétroliers privés participant aux études concertées sur la RAP par surfactifs-polymères dans les années 1974-1978

Enhanced Oil/Gas Recovery

Hydrogen pilot

Solar Energy

Geothermal energy

Conservation programs

Nuclear fuel reprocessing/recycle

Commercial waste management

Light water reactor

23Tableau 2 : Classement des secteurs d’études de l’ERDA, par ordre de priorité, en 1975

24L’ERDA a seulement existé trois ans, mais elle a permis un avancement considérable en termes de recherche dans le secteur de l’énergie, grâce à une concertation peu fréquente entre les centres de R&D publics, à des projets fondamentaux financés dans le secteur universitaire, et de nombreux projets, plus ou moins appliqués, co-financés par des compagnies pétrolières (cost-shared). Au début de 1978 l’ERDA fut transformé en DOE (Department Of Energy) avec un objectif similaire, mais à plus long terme et moins d’urgence.

25Les études préliminaires des années 1974-1975 ont montré une variété de sujets et une telle complexité qu’aucun centre de recherche public (Bartleville) ou privé (Exxon ou Shell) n’avait la capacité de les résoudre. De ce fait l’ERDA a exigé en contrepartie d’un financement notable, une divulgation totale des résultats : situation exceptionnelle qui a duré seulement trois à quatre ans.

26Les nombreuses réunions, présentations de symposia, publications diverses, échanges universités-industries, ont produit de très nombreuses connaissances et un savoir faire (know-how) en relation avec les problèmes à résoudre. Il est certain que tous ces résultats en provenance de très nombreuses sources n’ont pas été nécessairement ordonnés, mais l’absence de la confidentialité habituelle a favorisé, dans les années 1976-1980, une augmentation rapide de la compréhension des phénomènes. En 1976 l’AIChE (6) organisa à Kansas City un symposium de conférences invitées pour faire le point sur les différents problèmes scientifiques. Les textes accompagnant ce symposium qui furent édités par D.O. Shah et R.S Schechter et publiés l’année suivante par Academic Press (1977), furent très vite considérés comme « l’état de l’art » en matière de « Improved Oil Recovery by surfactant and Polymer Flooding ».

27C’est à cette époque que la France a contacté le groupe américain probablement le plus important en matière de recherche en RAP. Il s’agissait du groupe « Surfactifs-polymères » de l’université du Texas à Austin qui réunissait plus d’une vingtaine de personnes dans les départements de chimie, génie chimique et pétrole sous la direction de deux éminents professeurs, William Wade et Robert Schechter, qui avaient constitué un grand groupe en associant des jeunes professeurs, des post-docs, doctorants, étudiants en masters et personnel contractuel (tableau 3)

Aoudia M. (Algérie)

L. Baldauf, M. Baviere (France)

Y. Barakat (Égypte)

M. Bourrel (France)

R.Cash, J.L.Cayias. P.Doe, M.El-Emary (Égypte)

L. Fortney, A. Graciaa (France)

M. Hayes, C. Koukounis (Grèce)

A. Lipow, J.Morgan (Royaume-Uni)

E. Vasquez (Venezuela)

JL. Salager (France et Venezuela)

U. Weerasooriya (Sri Lanka)

S. Yiv (France)

28Tableau 3 Chercheurs thésards et post-docs du groupe EOR de l’université du Texas durant les années 1974-1984

29Ce groupe reçut, en 1974, le backup de nombreuses compagnies pétrolières et se distingua de diverses manières, entre autres en construisant un tensiomètre à goutte tournante (qui fut commercialisé par la suite) et dont ils utilisaient déjà vingt-cinq exemplaires durant leurs premiers travaux (ce qui montre l’importance des équipes qu’ils dirigeaient). C’est aussi ce groupe qui proposa, en 1975, le concept dit EACN (Equivalent Alkane Carbon Number) pour caractériser la phase huile, un des composants de la microémulsion, géniale innovation au plan pratique, mais aussi une simplification des études qui se traduisit par un financement accru du gouvernement et des compagnies. Enfin on lui doit également le passage de l’étude de la tension minimum à celle du comportement de phase et une approche par corrélation numérique pour prédire la formulation optimale en fonction des caractéristiques des différents composants (surfactif, saumure, huile, alcool) et de la température.

30Le premier contact officiel des autorités françaises avec l’université d’Austin fut une visite de diplomates français aux autorités de l’université avec l’aide, pour les traductions, d’un jeune français, Jean-Louis Salager, ingénieur ENSIC (École nationale supérieure des industries chimiques) et ancien employé de la société Elf-Aquitaine, qui réalisait un doctorat en RAP à l’université du Texas. Quelque temps plus tard le thésard français fut invité à présenter un séminaire aux participants de l’Action concertée dirigée par Armand Lattes, dans le but de transférer, aux équipes françaises, les connaissances acquises par les chercheurs américains, en particulier celles présentées pendant le symposium de Kansas City.

31À cet égard, il est bon de rappeler une anecdote qui s’est produite au moment de la présentation de J-L. Salager à Paris devant les différentes équipes soutenues par la DGRST et qui permet d’apprécier l’apport de la collaboration franco-américaine. Le présentateur expliqua que la formulation optimale, où on obtenait la basse tension la plus favorable à la récupération maximale, était souvent repérée par l’obtention d’un système où une microémulsion est en équilibre avec une phase excès d’eau et une phase excès d’huile, c’est-à-dire : un système triphasique. Quand un des chercheurs participants, expert en colloïdes, fit remarquer qu’il ne connaissait pas ce genre de curieux comportement, le présentateur ne répondit pas, mais il se retourna et ouvrit son attaché case, et en sortit un tube à essai où apparaissait un tel système en commentant : « En voici un ! » Il fit alors remarquer que ces systèmes s’équilibraient très rapidement et que c’était pour cette raison que l’on pouvait observer les trois phases séparées au bout de quelques minutes, ce qui faisait qu’on ne produisait pas d’émulsions fines et stables dans le gisement, une caractéristique très favorable pour atteindre une bonne mobilité des fluides.

32Dans les mois qui suivirent deux stagiaires français, Maurice Bourrel de la société Elf-Aquitaine (qui avec Claude Chambu étaient chargés de ces problèmes dans cette société) et Marc Bavière de l’IFP, furent invités à Austin pour un stage d’un an. Le premier fut affecté au groupe de Schechter pour étudier les surfactifs non ioniques et le deuxième sur les co-tensioactifs de type alcool, ces deux stagiaires travaillaient en collaboration avec Jean-Louis Salager resté à Austin comme post-doc pour les aider à coordonner les travaux dont ils devaient ramener l’expérience en France. En 1978-80 Salager, retourné au Venezuela comme enseignant-chercheur, participa comme conseil et formateur auprès d’Elf-Aquitaine de façon à continuer la collaboration engagée entre les deux pays et à aider à transférer le savoir-faire développé à Austin.

33Pour en terminer avec cette collaboration franco-américaine il faut signaler que nos collègues américains, ravis de la qualité de notre coopération, proposèrent d’accueillir, l’année suivante (1979) un jeune post-doc français. Après examen des disponibilités par H. Curien et A. Lattes, le choix d’A. Graciaa, de Pau, s’imposa : ce jeune physicien venait de soutenir sa thèse d’État sur l’application de la diffusion de la lumière à l’étude des microémulsions. Cependant il était confronté à un problème de déroulement de carrière : assistant délégué il perdait son poste s’il acceptait de partir à Austin ! ! Malgré cela, A.Graciaa accepta : il fut donc « démissionné », arriva au Texas en janvier 1979 et travailla sur place jusqu’en décembre de la même année. Très intéressé par ses recherches il continua à collaborer avec l’équipe d’Austin, en revenant régulièrement par périodes de trois mois les étés suivants, puis en gardant des relations durables qui se sont concrétisées au cours du temps par des dizaines de publications communes. Comme il aime à le rappeler : il était parti en tant qu’opticien et il est revenu en tant que physico-chimiste. Réintégré dans son université où il est maintenant professeur, il est parmi ceux qui ont le plus apporté à la recherche française en récupération assistée.

34Après une année sabbatique de J-L. Salager et de sa femme Raquel à l’université de Pau en 1987-88, à l’invitation d’A. Graciaa, devenu doyen de la faculté des Sciences à ce moment-là, la coopération de l’université de Pau se déplaça vers l’Amérique du Sud avec le Laboratoire FIRP de l’université des Andes (Mérida-Venezuela) : un groupe de recherche fondé en 1978 par Salager sur les phénomènes interfaciaux et composé de plus de vingt professeurs dont la moitié travaillaient sur les applications pétrolières. Dans les années 1990-2005, le programme de coopération postgradué (PCP) franco-vénézuélien apporta un financement notable pour plus de trente échanges de thésards/chercheurs vénézuéliens et français, non seulement avec l’université de Pau (A. Graciaa et Jean Lachaise), mais aussi avec l’Institut européen de membranes (L. Cot) et la maîtrise en formulation à Montpellier (J. Rouvière) ; l’ENSIACET (École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques) à Toulouse (Joël Bertrand) ; l’ENSIC à Nancy (L. Choplin) ; le Laboratoire de physique des solides et physique pharmaceutique à Paris-Sud (D. Langevin et J-L. Grossiord) ; l’IFP (F. Argillier et D. Dalmazzone) à Rueil-Malmaison et l’ENSCL (École nationale supérieure de chimie de Lille), F. Aubry. Ces recherches concertées ont produit une vingtaine de thèses doctorales et plus de soixante publications, non seulement sur la récupération assistée, mais aussi sur le transport émulsifié des bruts lourds et les émulsions d’asphaltes, ainsi que sur des applications cosmétiques et pharmaceutiques.

35Cette collaboration franco-américaine s’est donc révélée très profitable pour toutes les parties. Elle a permis aux équipes françaises de bénéficier des compétences Nord et Sud-américaines, en particulier dans le domaine expérimental, enrichissant ainsi par des données pratiques les travaux plus théoriques des physiciens et physico-chimistes français.

36En remerciement de la qualité de leur accueil et en raison de leur important apport, les professeurs Schechter et Wade ont été faits chevaliers de l’Ordre national du mérite. De même le professeur Salager fut récompensé par l’attribution des Palmes académiques sur proposition de l’ambassade de France au Venezuela.

Le bilan (7)

37S’il fallait résumer en quelques mots le bilan des différentes actions menées en France avec ou sans les supports américains, on pourrait dire simplement : les groupes universitaires ont créé des concepts et les industriels des méthodes ainsi que quelques tests pilotes qui ont pu être réalisés avant la chute des prix au début des années quatre-vingt. Même si le financement direct aux universités fut supprimé au début des années quatre-vingt, les travaux en RAP par surfactifs/polymères ont continué quelque temps dans des centres de recherches liés à des compagnies ou centres publics comme Elf-Aquitaine Lacq ou IFP. On retrouve ces travaux dans des applications pétrolières résultant de ces concepts : transport émulsifié, remédiation par les microémulsions, déshydratation des bruts. D’autres applications trouvèrent des débouchés dans des domaines qui n’étaient pas liés directement au pétrole : cosmétiques, alimentation, peintures ou même tout simplement en synthèse organique. Enfin il a résulté de toutes ces activités l’émergence de sujets très fondamentaux ou leur approche à partir des acquis de la RAP : microémulsions, cristaux liquides, mésophases, structuration de nouvelles molécules tensioactives sur mesure ou « vertes », sans compter un apport notable à de nombreux aspects de ce qu’on commença à appeler nanotechnologie il y a trente ans.

38Tout cela se traduisit par un transfert des problèmes et de leurs études vers des structures issues des travaux de l’action DGRST, mais prises en charge par d’autres organismes, essentiellement le CNRS. C’est ainsi qu’en 1980, au vu des résultats fondamentaux obtenus par les équipes françaises dans le domaine des microémulsions, et compte tenu des nombreux champs d’application qu’elles supposent, un GRECO « Microémulsions » fut créé au CNRS (directeur P. Bothorel). Pendant le premier mandat de ce GRECO, la participation fut limitée aux équipes de physiciens et de physico-chimistes spécialistes de la matière molle.

39En 1983, à l’initiative de Pierre-Gilles de Gennes, président du comité scientifique de ce GRECO, un appel fut lancé en direction des chimistes organiciens pour répondre à un besoin en produits, afin d‘élargir le champ d’investigation. Une seule équipe fut retenue (UMR 5623, dirigée par Armand Lattes) qui, pendant toute la durée du deuxième mandat du GRECO réussit à s’intégrer dans un milieu lié à une discipline très éloignée de la sienne. On trouve dans cette initiative une réponse à un problème relatif aux différences de stratégies inhérentes à chaque discipline :

  • les physiciens utilisent un nombre limité de produits qu’ils étudient avec différentes techniques (c’est ainsi que les chercheurs du GRECO avaient adopté un système de microémulsion défini qui permettait d’échanger les résultats obtenus par différentes techniques) ;

  • les chimistes étudient plusieurs produits par un nombre limité de techniques.

40Au cours des travaux des contractants DGRST ou des chercheurs associés au nouveau GRECO, il est apparu un déficit important en France en chercheurs travaillant dans le domaine des tensio-actifs car le CNRS n’accompagne plus, depuis longtemps, cette discipline jugée trop appliquée ! Les chimistes de synthèse, conscients de l’enjeu de la récupération assistée, de l’intérêt croissant des microémulsions, et de l’aspect ludique de ces travaux, comblèrent rapidement ce vide. À l’heure actuelle, il existe pour ainsi dire au moins une équipe travaillant les surfactifs dans chacun des différents instituts de recherche ou universités de notre pays.

41En 1986, à la fin du GRECO microémulsion, une nouvelle séparation s’imposa entre les deux disciplines (essentiellement pour des raisons de nombre de participants) à partir de la création de deux nouveaux GDR :

  • nouveaux matériaux tensioactifs (direction A. Lattes) ;

  • films flexibles (direction D. Langevin.)

42Pour pouvoir conserver la cohésion précédente, les deux GDR, une fois par an, se réunissaient ensemble. Le GDR « Nouveaux matériaux tensioactifs » compléta enfin le groupe de disciplines en intégrant des biologistes à la recherche de solutions pour procéder à l’extraction des protéines membranaires. Le défi était de réussir cette extraction en conservant la conformation initiale de la protéine présente au sein de la membrane. Cela devait conduire, par la suite, au GDR 2478 « Protéines membranaires et assemblages colloïdaux ». D’autres domaines se sont développés. Le Laboratoire de chimie moléculaire et formulation de l’université de Lille 1 (dirigé par J-M. Aubry) a travaillé depuis dix ans avec le Laboratoire FIRP sur des systèmes contenant des huiles naturelles et de parfums, ainsi d’ailleurs que des surfactifs verts, en relation avec diverses industries françaises.

Et le pétrole dans tout cela, me direz-vous ? Qu’en est-il donc du problème initial que toutes ces digressions semblent nous faire oublier

43Le transfert des résultats « fondamentaux » de l’action DGRST s’est effectué assez vite par les premiers essais de récupération tertiaire par voie chimique en Europe, essais réalisés par Elf-Aquitaine avec le concours de l’IFP (D. Chapotin, A. Putz) (8). Entre 1974 et 1978, c’est sur le champ de Châteaurenard, en Ile-de-France, que ces essais furent effectués par injection d’un bouchon de microémulsion, poussé par une solution concentrée de polymère, puis par de l’eau. Les puits producteurs ont montré une réponse très nette qui, sur deux mois, soit 4520 m3 de production, montrent un gain de 2550 m3 par rapport à la production primaire. Le prix de revient de l’huile tertiaire étant cependant très important, un second projet, dont la réalisation a débuté en juin 1983, a permis de commencer une optimisation du procédé tandis que l’huile tertiaire obtenue représentait 60 % environ de la production totale. Ces succès montrent l’intérêt (en production) de la technique ; l’intérêt économique dépend bien sûr du prix du pétrole, mais aussi des conditions d’exploitation des puits eux-mêmes. Une illustration de cette situation concerne les travaux actuels du groupe Total à Pau et Lacq qui continue à s’intéresser à la RAP, mais avec, semble-t-il, des hésitations, sans doute en raison de l’évolution chaotique du prix du pétrole.

44La tendance générale est de toute façon à la hausse des combustibles fossiles dans les prochaines décennies parce que les énergies renouvelables sont loin d’être compétitives. Il faut aussi considérer que le réchauffement global obligera tôt ou tard à généraliser un traitement du gaz carbonique produit par la combustion des trois types de fossiles, ce qui augmentera certainement leur coût réel, et défavorisera encore plus le charbon et les bruts lourds et extra lourds. D’autre part, en dépit du fait que le gaz naturel contient moins de carbone que le pétrole, son transport et sa distribution, en particulier liquéfié, requièrent un surcroît d’énergie. Il en va de même des huiles de schistes dont l’extraction n’est pas bon marché car les procédés de fracturation sont coûteux et qu’il peuvent présenter des inconvénients du point de vue écologique.

45On peut donc dire que, dans un proche avenir, il semble que les meilleurs candidats du point de vue économique soient les bruts relativement légers, qui sont justement ceux dont la production accumulée n’est pas loin d’arriver à la limite des 25-30 % de la technologie actuelle de récupération secondaire par drainage à l’eau. C’est donc la récupération améliorée des 70 % des bruts conventionnels qui restent dans les gisements qui apparaît comme l’objectif scientifique et technique à poursuivre dans les prochaines années. Les méthodes chimiques qu’on peut leur appliquer varient depuis l’injection d’eau améliorée par des polymères (méthode bon marché et assez sûre, mais peu rentable en récupération additionnelle) à l’injection complexe alcali-surfactif-polymère (ASP) dont la technologie est complexe et n’est pas encore arrivée à une application en routine. D’après les essais réalisés depuis l’année 2000, en particulier en Chine, et les connaissances accumulées, il semble que la technologie la plus prometteuse serait la méthode surfactif-polymère avec très peu d’alcali, alcali dont le but serait seulement de réduire l’adsorption des produits injectés. Les études récentes indiquent que les meilleures performances en vue de l’obtention de la tension interfaciale ultrabasse exigent des mélanges de tensioactifs ayant parfois des structures complexes, qui justifient donc de continuer à étudier la chimie de ces substances.

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Bibliografía

(1) La Délégation générale à la recherche scientifique et technique (DGRST) était un organisme de l’administration française qui dépendait des services du Premier ministre. Issue du Comité consultatif de la recherche scientifique et technique, elle avait pour mission de coordonner les actions décidées par le gouvernement, les universités et le CNRS dans le domaine de la recherche et la technologie. Elle avait été initiée dès 1958 mais elle ne fut créée que le 8 avril 1961 et supprimée le 1er décembre 1981 au moment de la mise en place du premier ministère de la Recherche et de la Technologie.

(2) Partenaires industriels de l’action :

- Société ERAP (Entreprise de recherches et d’activités pétrolières), surnommée Elf-ERAP (1967-1976), renommée SNEA (Société nationale Elf-Aquitaine) (1er septembre 1976), qui fusionna par la suite avec Total-Fina (2000).

- Compagnie française des pétroles (CFP), créée en 1924, rebaptisée Total-CFP en 1985, Total en 1991, Total-Fina en 1994 puis, après la fusion avec Elf, Total-Fina-Elf en 2000. A repris la dénomination Total en 2003.

- Institut français du pétrole (IFP), à l’origine, en 1919, un organisme professionnel destiné à faciliter le développement de l’industrie pétrolière et des usages du pétrole, devenu un établissement public national à caractère industriel et commercial depuis le Grenelle de l’environnement en 2010. Organisme public de recherche et de formation, l’Institut français du pétrole et des énergies nouvelles (IFPEN) est sous la tutelle du ministère de l’Écologie, de l’énergie et du développement durable et a pour mission le développement des technologies et des matériaux de demain dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement.

(3) Les documents relatifs au fonctionnement de l’action du groupe « Récupération assistée du pétrole » peuvent être consultés aux Archives nationales, 59 rue Guynemer, 93383 Pierrefitte-sur-Seine. Ils sont conservés dans la rubrique « Enseignement, direction générale de la recherche et de la technologie, mission scientifique et technique (1970-1982) ». On cherche ensuite dans le répertoire, partie II, activités des comités puis chapitre A, comités d’action concertée, ou d’action complémentaire coordonnée, action sur programme, actions thématiques programmées (ATP) enfin, unités de description (ce qui équivaut, aux Archives, aux numéros de pages) : de 19850245/38 à 19850245/41.

(4) Accords de Bretton-Woods : la mauvaise situation économique des nombreux pays qui avaient subi les désastres occasionnés par la seconde guerre mondiale et la réorganisation souhaitée du système monétaire international, ont amené quarante-quatre pays à signer, le 22 juillet 1944, ces accords par lesquels ils acceptaient de reconnaître le dollar américain comme monnaie de référence avec convertibilité en or de cette monnaie. Cette convertibilité ayant été dénoncée par les États-Unis à la suite d’un mauvais déficit commercial, il en a résulté la baisse du dollar (une des causes du premier choc pétrolier) et, le 18 décembre 1971, la fin de ces accords et par là-même celle de ce système monétaire international.

(5) Seven Sisters : il s’agit d’un terme inventé, dans les années cinquante par Enrico Mattei, qui devait par la suite prendre la tête de la compagnie italienne ENI (Ente Nazionale Idrocarburi – Société nationale italienne des hydrocarbures). Il désignait par cela sept compagnies pétrolières qui formaient le cartel « Consortium pour l’Iran » et dominèrent l’industrie pétrolière mondiale dès l’entre deux guerre et du milieu des années quarante aux années soixante-dix. Jusqu’au premier choc pétrolier de 1973, ce cartel contrôlait environ 85 % des réserves mondiales de pétrole. La position croissante de l’OPEP et des compagnies nationales s’est traduite par le déclin de l’influence des « Seven Sisters ».

(6) AiChE : American Institute of Chemical Engineers, organisation professionnelle rassemblant les ingénieurs de génie chimique. Il existe une division au sein de cette association « Transport and Energy Process » concernée par les problèmes de la RAP.

(7) Pour connaître de façon plus précise l’ensemble des résultats obtenus par tous ceux qui ont participé à l’action de la DGRST, on peut accéder aux rapports de fin de contrat et aux rapports scientifiques aux références suivantes :

- catalogue des rapports de fin de contrat DGRST déposés au Centre de documentation scientifique, numéros 1968/75-1981. ISSN 0223-4262 ;

- catalogue des rapports scientifiques et techniques DGRST-MRT déposés au Centre de documentation scientifique et technique 1979-1983. Ministère de la Recherche et de la Technologie, Centre national de la recherche scientifique. Centre de documentation scientifique et technique. Publication Paris : CNRS.CDST 1985. ISBN 2-904975-09-8 (br.) Notice N° FRBNF 34827554.

Par ailleurs les contractants ont participé activement aux différents colloques sur la Récupération assistée. À titre d’exemple (non limitatif) on peut consulter les proceedings suivants :

Enhanced Oil Recovery, colloque sur la RAP, IFP 17-18 janvier 1979 ;

Colloque DGRST sur la RAP, IFP avril 1981 ;

2nd European Symposium on Enhanced Oil Recovery, 8-10 novembre 1982;

Colloque bilan « Interaction solide-liquide dans les milieux poreux », 6-10 février 1984, Nancy, coordinateur J-M.Cases, Éditions Technip, 1985.

Ces proceedings ont, pour la plupart, été publiés aux Éditions Technip.

(8) Pilote méthode et pilote industriel d’injection de microémulsion et de polymère sur le champ de Châteaurenard. D. Chapotin-A. Putz, Nouvelles technologies pour l’exploration et l’exploitation des ressources de pétrole et de gaz, comptes rendus du deuxième symposium européen, Luxembourg, 5-7 décembre 1984, vol. 2, pp. 808-817.Éditions Technip, pub. 1986.

Glossaire

Agents structurants et déstructurants :

L’eau est un liquide que l’on qualifie souvent « d’anormal » en raison de ses propriétés très particulières. Ces propriétés sont dues à sa structure intime où l’on détecte des associations très fortes entre molécules par « liaison hydrogène » : on dit que l’eau est « un solvant structuré ».

Lorsque l’on dissout dans ce liquide un composé organique, peu soluble dans l’eau, les molécules qui le constituent vont s’arranger de façon à exposer leur partie organique non polaire le moins possible au contact de l’eau : elles s’organiseront en général sous forme de « micelles », de géométrie proche de la sphère, les parties polaires au contact de l’eau et les non polaires à l’intérieur de la sphère. Les associations des parties non polaires entre elles sont dues à ce que l’on appelle « les interactions hydrophobes ».

Les interactions hydrophobes s’expliquent à partir de considérations thermodynamiques, l’équilibre de formation des micelles étant déplacé vers celles-ci par augmentation de l’entropie ou, plus simplement, par augmentation du désordre du système. Tout ce qui va influencer le désordre va intervenir sur la formation des micelles et, comme elles sont responsables de la dissolution des composés organiques, on conçoit que l’on puisse agir sur cette dissolution en ajoutant des agents « structurants ou déstructurants » qui vont stabiliser ou détruire la structure ordonnée de l’eau. On peut donc postuler que l’addition de ces agents permette, par exemple, de faciliter la dissolution aqueuse des hydrocarbures et faciliter leur récupération.

Aromatiques :

On appelle « composés aromatiques » ou « aromatiques », des molécules organiques insaturées, monocycliques (par exemple le benzène) ou polycycliques (par exemple le naphtalène), obéissant à certaines règles liées à la délocalisation des électrons dans les cycles. Le pétrole brut constitue la source principale de ces composés.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les HAP, sont fortement toxiques et se retrouvent comme polluants dans les sols et lors des naufrages des pétroliers.

Microémulsion :

Une microémulsion est un système thermodynamiquement stable, de faible viscosité, composé de trois ou quatre constituants : eau, surfactif, co-surfactif (molécule polaire à courte chaîne hydrophobe), huile (pétrole dans le cas présent). Ce système est formé de microdomaines d’eau et d’huile séparés par un film de surfactif + co-surfactif. Suivant les proportions relatives des constituants on peut obtenir des systèmes monophasiques, diphasiques ou triphasiques.

Un système triphasique est tel que la microémulsion, dans la phase médiane, est en équilibre à la fois avec la phase aqueuse (inférieure) et la phase huileuse (supérieure).Dans ces conditions les tensions interfaciales entre la microémulsion et les deux autres phases sont très basses : il en résulte une solubilisation maximale de l’huile. C’est ce comportement que les pétroliers recherchent en récupération assistée.

Polymères :

Les polymères sont des substances ayant de hautes masses moléculaires. Elles sont formées par la combinaison chimique d’un grand nombre de molécules, identiques ou non, dites « monomères ».

La RAP utilise des polymères hydrosolubles (polyacrylamide, xanthane,…), dont la solubilité dans l’eau permet l’obtention de solutions visqueuses qui, injectées dans la roche, favorisent le déplacement du pétrole contenu dans cette roche vers les puits d’exploitation.

Surfactifs (surfactants en anglais) :

Molécules présentant à la fois une partie lipophile (insoluble ou peu soluble dans l’eau) et une partie hydrophile (soluble dans l’eau). Cette structure permet à ces molécules de se placer aux interfaces entre deux liquides, ou un liquide et un solide, et d’abaisser ainsi la tension interfaciale entre eux.

Les surfactifs, appelés aussi « tensioactifs », en raison de cette propriété, sont utilisés comme détergents en raison de leur aptitude à solubiliser dans l’eau des substances organiques (graisse, pétrole ….) grâce à la formation d’objets, grossièrement sphériques, appelés « micelles » (vide supra).

En récupération assistée du pétrole, les surfactifs les plus utilisés sont directement issus du pétrole : ils comportent la plupart du temps des groupes ioniques (sulfonates par exemple) ou simplement polaires (oxyde d’éthylène).

L’abaissement de la tension interfaciale entre les solutions injectées et la roche permet le décrochage du pétrole, tandis que la formation des micelles aide à la dissolution de celui-ci.

Tension interfaciale :

Lorsque les surfaces de 2 milieux différents (liquide-liquide, liquide-solide, liquide-gaz, solide-gaz) sont en contact, des phénomènes spécifiques interviennent à la surface de séparation (interface) des deux milieux. Ces phénomènes sont dus aux différences de comportement des molécules (ou autre entité) : les molécules au cœur des milieux, par exemple, sont attirées par les molécules voisines et, globalement, on peut en déduire que les forces s’équilibrent car elles s’exercent dans toutes les directions.

Par contre, les molécules à l’interface ne subissent pas les mêmes forces : attirées par leurs voisines dans leur milieu, elles sont repoussées par les molécules de l’autre milieu. Il en résulte des « tensions interfaciales » dont l’origine provient de ces différences entre forces d’attraction et de répulsion. Dans une exploitation pétrolière il existe deux types d’interfaces importants :

liquide-liquide, ou pétrole- solution injectée, lors de la récupération par des solutions de tensio-actifs et de polymères ;

liquide-solide, ou pétrole-roche, l’huile étant incluse souvent dans des capillaires de la roche.

L’optimisation de la RAP suppose d’utiliser des substances (tensio-actifs) qui permettront d’obtenir des tensions interfaciales les plus basses possible (voir microémulsion).

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Para citar este artículo

Referencia en papel

Armand Lattes y Jean-Louis Salager, «De la récupération assistée du pétrole à la renaissance en France de la chimie des tensioactifs»Histoire de la recherche contemporaine, Tome V - N°1 | 2016, 73-85.

Referencia electrónica

Armand Lattes y Jean-Louis Salager, «De la récupération assistée du pétrole à la renaissance en France de la chimie des tensioactifs»Histoire de la recherche contemporaine [En línea], Tome V - N°1 | 2016, Publicado el 15 junio 2018, consultado el 24 febrero 2021. URL: http://journals.openedition.org/hrc/1272; DOI: https://doi.org/10.4000/hrc.1272

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Autores

Armand Lattes

Armand Lattes, professeur émérite des universités, membre de l’Académie nationale de pharmacie. Ancien président du Comité d’action concertée « Récupération assistée du pétrole », de la Société française de chimie, et de la Société de chimie industrielle. Auteur de plus de quatre cent cinquante publications en chimie organique et en chimie colloïdale.

Jean-Louis Salager

Jean-Louis Salager, professeur émérite de l’université de « Los Andes » (Venezuela). Fondateur et directeur honoraire du Laboratoire de formulation, interfaces, rhéologie, et procédés. Membre de l’Académie des sciences d’Amérique Latine. Auteur de plus de trois cents articles sur l’ingénierie des formulations en pétrochimie.

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