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Application de la scanographie à l’étude de l’injection de mousse pour le traitement de sols contaminés au diesel.

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Fitzhenry, Emily (2021). Application de la scanographie à l’étude de l’injection de mousse pour le traitement de sols contaminés au diesel. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 174 p.

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Résumé

Les projets d’excavation de sols contaminés peuvent présenter d’importantes difficultés techniques, notamment en raison de la présence d’infrastructures hors terre ou souterraines, ou en raison d’une zone source trop profonde. Dans de tels cas, il est préférable d’appliquer les technologies de réhabilitation in situ. L'injection de mousse pour la récupération des liquides immiscibles légers (LIL) a fait l'objet de développements importants au cours des dernières années. Toutefois, la meilleure compréhension des processus de récupération des LIL avec la mousse est limitée par la capacité d'observer les conditions à l'intérieur des milieux poreux. Ce projet a pour objectif d’étudier, à l’aide d’un scanographe tomodensitométrique, le procédé d’injection de mousse pour récupérer un LIL présent à saturation résiduelle dans un sol. La méthodologie est divisée en deux volets de recherche, soit : (1) la mise au point du scanographe médical à l’INRS ETE et le développement d’un algorithme de traitement d’images CT; et (2) la réalisation d’essais d’injection de mousse en colonne de sable contaminé au diesel. La mise au point du scanographe a impliqué l’acquisition d’images CT d’une colonne de sable en utilisant 80 différentes combinaisons de paramètres d’acquisition et de reconstruction, afin d’identifier quelle combinaison était la mieux adaptée pour permettre l’extraction de données de saturation pour les fluides d’intérêt (eau, air et LIL). La technique d’extraction de données qui a été intégrée à l’algorithme est basée sur des opérations de soustraction entre des séries d’images du milieu poreux acquises à différents états de saturation. Les profils de saturation en LIL extraits par l’algorithme développée concordaient bien avec les valeurs de saturation moyennes déterminées par le bilan de masse expérimental. Une série d’essais en laboratoire a été réalisée afin d’identifier la formulation tensioactive ainsi que les conditions d’injection les mieux adaptées pour la génération et la propagation de mousse en colonne de sable contaminé par du diesel, un LIL. Six tensioactifs ont fait l’objet d’un processus de sélection comprenant la mesure de leurs propriétés physiques, des essais de stabilité de mousse en lot, et des essais de co-injection de mousse par paliers croissants de débits constants. Par la suite, deux essais de co-injection de mousse en colonne de sable contaminé par du LIL, réalisés respectivement à haute et à basse pressions, ont été imagés au scanographe. Les données extraites des images CT ont permis de comparer les deux scénarios au niveau de la structure de la mousse et de la dynamique de désaturation du LIL. À l'issu des essais en laboratoire, les plages de conditions initiales de terrain pour lesquelles la mise en œuvre des procédés d'injection de mousse développés serait envisageable ont été estimées. Des travaux futurs seront nécessaires pour optimiser la formulation de la solution tensioactive afin d’abaisser davantage la tension interfaciale du système, et pour tester différentes stratégies d’injection dans le but de minimiser l’effet de colmatage du milieu par la mousse visqueuse.

Abstract

Excavation of contaminated soil can be technically infeasible on sites with existing aboveground or underground infrastructures, or on sites with relatively deep contaminant source zones. In situ remediation strategies are warranted in such cases. In recent years, significant advances have been made in the development of the surfactant foam injection technology for the recovery of Light Non-Aqueous Phase Liquids (LNAPLs). However, the interactions that occur between LNAPL and foam remain poorly understood given how difficult it is to observe the conditions inside porous media. The main objective of this project was to use X-ray Computed Tomography (CT) imaging techniques to study surfactant foam injection for the enhanced recovery of diesel, an LNAPL, trapped in soil at residual saturation. The methodology of the project was divided into two general parts: (1) optimization of a medical CT-scanner and development of an image-processing algorithm, and; (2) carrying out foam injection experiments in diesel-contaminated sand columns. The optimization process for the CT-scanner involved acquiring CT images of a sand column using 80 different combinations of acquisition and reconstruction parameters, in order to identify the combination best suited for extracting the saturation data for the fluids of interest (water, air, LNAPL). The data extraction approach that was integrated into the algorithm was based on the principle of image subtraction between stacks of images of the porous medium at different saturation states. The LNAPL saturation profiles extracted using the algorithm developed were found to be in good agreement with the average saturation values as determined by experimental mass-balance. A series of laboratory experiments was carried out in order to identify the surfactant solution formulation as well as the injection parameters that are most conducive for generating and propagating foam within the LNAPL-contaminated sand column. Six surfactant candidates were subjected to a selection process, which included measurement of their physical properties, bulk foam stability tests, as well as foam flow-rate tests. Finally, two co-injection foam experiments were carried out in LNAPL-contaminated sand columns, respectively at high- and low-pressure, and imaged using the optimized CT protocol. The data subsequently extracted from CT images was used to compare the two pressure conditions, in terms of the evolution of foam morphology and the LNAPL desaturation dynamics involved over the course of the injection. Following the laboratory column experiments, the field-scale applicability range of the two foam injection protocols tested were evaluated. Further work will be required to optimize the surfactant solution to achieve ultra-low IFT values and thus improve recovery efficiency at low pressures, as well as to develop an injection strategy that limits pore plugging by viscous foam.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Robert, Thomas
Mots-clés libres: milieux poreux; réhabilitation in situ; diesel; solutions tensioactives; mousse; débit fractionné de gaz; scanographie tomodensitométrique; gradient de pression; profils de saturation; mobilisation; porous medium; in situ remediation; diesel, surfactant solutions; foam; gas fractional flow rate; computed tomography; pressure gradient; fluid saturation profiles; mobilization
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 15 oct. 2021 18:20
Dernière modification: 15 oct. 2021 18:20
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12053

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