Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
9~Q83
: La presente invention a pour objet une cellule pour
le controle par voie acoustique des caracteristiques, notam~
ment de la prise et du durcissement de materiaux passant de
l'etat liquide ou pâteux ~ l'etat solide, en partic~liar des
ciments, et pou~ant servir % la détermination du temps de
pompabilite et de la r~sistance mecanique de ciments.
Loxs de la realisation de~sondages, on est ~mene
' ~ effectùer des injections de ciment notamment pour fixer
les ~olonnes de tubage à la paroi du sondage ou encore pour
lsoler les couches poreuses susceptibles de contenir des
hydrocarbures. Dans de ~el cas, il est necessaire, apres
chaque injection de cimentr d'attendre que le ciment
injecte' ait fait prise et presente une resistance mecanique '
' suffisante pour poursuivre les operations.
Afln de travaillex sans de bonnes conditions,
lrutilisateur s'interesse tout particuli~rement ~ deux
caracteristiques des ciments employes, ~ savoir le temps de
pompabilite, c'est-~-dire le temps pendant lequel la vis-
cosite du ciment gâche est assez faible pour pouvoir être '
pompe aux ~ins d'injection dans le sondage, et le temps,
dlt temps d'attente, apres lequel le c~ment presente une
resistance mëcani~ue suffisante pour permettre une reprise
du ~orage. ~es deux caracteristiques doivent etre connues,
- '' autant que possible, dans les conditions de pression et de25' tèmp~rature'regnant dans l'a zone'du sondage o~ le ciment
- ' ' doit;accomplir sa'fonctio'n.
' ~' On conna~t divers appareils pour ià determination
- ~u''temps ~e pompabllit~ de ciments. Un appareil g~neraie-
ment employ~ pour les mesures en'laboratoire est celui
normalis~
~.
.
__ . __ . _ __ _. ..... ... ... .... __ .. .. .. ...... _,
-: ,.
:
6~
par l'American Petroleum Institute, qui permet de déterminer le
temps de pompabilite d'un ciment gâché dans les conditions
réelles de pression et de température auxquelles sera soumis
le ciment au cours des opérations de pompage pour son injection
dans la zone à cimenter. Le principe de cet appareil repose
sur la mesure du couple exercé sur une palette fixe par le
ciment gâché contenu dans un bol mis en rotation. Lorsque le
couple atteint une certaine valeur, le ciment présente une
viscosité considérée comme limite pour le pompage. La norme
faisant appel à cet appareil, dénommé consistomètre, définit
plus précisément le temps de pompabilité comme le temps au
bout duquel la viscosité du ciment gâché atteint 100 unités
de consistance. Un tel appareil est volumineux et coûteux,
et en outre, il doit être utilisé par du personnel qualifié,
et de ce fait il ne peut être utilisé qu'en laboratoire. Un
appareil de mesure du temps de pompabilité, utilisable sur les
chantiers, fonctionne suivant un principe analogue, mais ses
performances sont limitées, car il permet seulement de tra-
vailler à la pression atmosphérique et à des températures
in~érieures à 100C. Un àutre appareil de chantier, dont
le principe repose sur la mesure de l'énergie consommée par
un moteur entralnant en rotation une palette plongeant dans
un bol immobile ren~ermant le ciment gâché, pour atteindre une
viscosité déterminée pour le ciment, peut opérer à des tempé-
ratures pouvant aller jusquià 200C mais sous des pressions
ne dépassant pas 35 bars. Aucun de ces deux types d'appareil
de chantier ne permet donc de déterminer la valeur du temps 7
de pompabilité dans des conditions de pression et de tempéra-
tures élevées correspondant à celles rencontrées dans les
sondages pro~onds.
La résistance mécanique du ciment, dont les variations
en fonction du temps permettent d'accéder au temps d'attente
:
' "
~64~83
défini précédemment, est obtenue par une procédure normalisée
de mesure de la résistance à la compression du ciment (norme
ASTM-C 109-75). Cette procédure consiste à déterminer la
pression nécessaire pour écraser à la presse hydraulique des
cubes du ciment préalablement conserves dans les conditions
de pression et de température auxquelles on s'intéresse. Pour
obtenir la résistance mécanique correspondant à un moment pré-
déterminé, cette mesure nécessite d'écraser au moins trois cubes
du ciment de 50 millimètres de côté pour fournir une valeur
moyenne. L'équipement nécessaire pour appliquer cette procé-
dure, à savoir presse hydraulique, cellule de conservation
des échantillons, moules servant à former les cubes échantillons,
est important et ladite procédure, employée en laboratoire,
ne peut pas etre utilisée sur les chantiers. En outre, même
au laboratoire la procédure précitée présente l'inconvénient
de constituer un essai destructif qui nécessite de ~aire appel
à un grand nombre de cubes échantillons pour établir la courbe
des variations de la résistance du ciment en fonction du temps.
- Des dispositifs de thermométrie, descendus dans le
~;~ 20 sondage, permettent d'observer la prise du ciment en détectant le
dégagement de chaleur provoqué par cette prise, toutefois les
mesures obtenues en faisant appel à ces dispositifs ne donnent
aucune indication sur la résistance mécanique du ciment.
On connait également un appareillage pour la déter-
mination par voie acoustique de la prise de matériaux tels que
béton ou résines, c'est-à-dire par transmission d'impulsions
ultrasoniques à travers le matériau en cours de prise et
mesure du temps de passage des impulsions à travers le matériau
et de l'amplitude du signal transmis par ledit matériau (con-
férer brevet russe(n 602852)~ Toutefois un tel appareillage
présente une cellule de mesure qui n'est pas adaptée pour
opérer dans les conditions de pression et de température éle~ées
--3--
_.
.
~ ;4`~3
que l'on rencontr~ dans les sondages profonds.
L'invention propose une cellule pour le controle
par voie acoustique des caracteristiques, notamment prise
et durcissement d'un matériau passant d'un état liquide ou
pateux à un état solide, en particulier un ciment, dont la
conception est simple et peu couteuse et la maintenance
aisée et qui peut opérer dans des conditions de pression et
de température élevées aussi bien au laboratoire que sur
chantier. En particulier, cette cellule peut permettre de
déterminer facilement le temps de pompabilité d'un ciment
et, en outre, elle peut fournir la possibilité, au cours
de la même mesure, d'obtenir par une voie continue et non
destructive une indication de la résistance du ciment dans
des conditions représentatives.
Dans la présentè description et les revendications
associees, on entend par transducteur electroacoustique un
dispositif susceptible de transformer un signal electrique
en ondes acoustiques ou inversement de transformer une onde
acoustique en signal electrique.
Plus particulierement, la presente invention a pour
objet une cellule pour contrôler par voie acoustique des
caracteristiques, notamment des caractéristiques de prise
et de durcissement d'un materiau passant d'un état liquide
ou pateux ~ un etat solide, notamment un ciment,comprenant:
un corps-de cellule ayant une surface exterieure et
d,elimitant une cavite qui forme une chambre de mesure et qui
debouche sur la surface exterieure du corps de cellule par
au moins un passa~e apte à contenir un bouchon etanche -
amovible;
la chambre de mesure comportant deux transducteurs
electroacoustiques ayant des surfaces d'emission et de
reception planes,paralleles et se faisant face;
le corps de cellule etant constitue par un
cylindre creux delimitant par une paroi cylindrique une
cavite ayant une portion mediane qui constitue la chambre ~;
de mesure, cette cavite comprenant e~alement des portions
~ 4 ~
.
.
. . :
6~Q8~
extrêmes qui constituent deux passages opposes aptes a
contenir chacun un bouchon etanche amovible;
la paroi cyclindrique de la chambre de mesure
comprenant deux évidements se faisant face et dans lesquels
sont respectivement disposes les deux transducteurs elec-
troacoustiques;
la paroi cylindrique interne de la chambre de
mesure etant munie, au voisinage de l'une de ses extremites,
d'une portee sur laquelle repose de façon etanche un contour
d'une membrane elastique separant diune partie principale.
de la chambre de mesure munie des deux.transducteurs une
partie secondaire de cette chambre de mesure, cette partie
secondaire ayant un faible volume en comparaison avec le
volume de la partie principale et etant reliee par un conduit
à un moyen d'injection d'un ~luide hydraulique et ~ des
moyens de contrôle de la pression de ce fluide hydraulique.
La presente invention a egalement pour objet une
cellule pour contrôler par voie aco~lstique des caracteris-
tiques, notamment des caracteristiques de prise et de dur-
cissement d'un materiau passant d'un etat liquide ou pâteux
a un etat solide, notamment un ciment~ comprenant:
un corps de cellule delimitant une cavite interne
qui forme une chambre et qui est en communication avec au
moins un passa~e apte à contenir un bouchon etanche amovible;
deu~ transducteurs electroacoustiques.comprenant
des surfaces d'emission et de reception planes parallèles et
: : se faisant face, lesdites surfaces d'emission et de reception
etant disposées dans la chambre;
un receptacle cylindrique pour contenir le materiau
à essayer, ce receptacle etant apte à être place dans la .
chambre lorsque le bouchon etanche amovible est retire;
le receptacle cylindrique etant muni d'une ouver-
ture obturable pour introduire le materiau a essayer dans
ce receptacle;
le receptacle cylindrique etant muni d'un perce- -
ment en un point espace du materiau à essayer contenu dans
-- 5 --
. . .
.~ '
- ' , -: -. ' : ,:
'' ' : :
'
~64~83i
le receptacle, ce percement étant en communication avec la
chambre;
l'interieur de la chambre etant en communication
avec des moyens d'injection d'un fluide hydraulique et avec
des moyens pour contrôler la pression de ce ~luide hydrau-
lique;
le receptacle cylindrique contenant le materiau à
essayer etant immerge dans le fluide hydrauliquè à l'in
terieur de la chambre et supporté par la pression de ce
fluide hydraulique, le fluide hydraulique sous pression
egalisant la pression a l'interieur du receptacle et la
pression à l'ex-terieur de ce receptacle.
Selon la presente invention, il est aussi prevu
un dispositi~ pour determiner par voie acoustique un temps
de pompabilite et des caracteristiques de prise et de
durcissement d'un materiau,passant d'un etat liquide ou
pateux à un etat solide,sous des pressions et des tempera~ .
tures predeterminees. Ce dispositif comporte:
un corps delimita~t une chambre interne;
. des moyens montes sur le corps et donnant accès
à la chambre pour introduire le materiau à essayer dans la
chambre;
deux transducteurs electroacoustiques ayant
des surfaces d'emission et de reception planes, parallèles
et se faisant face, disposees dans la chambre;
un receptacle con-tenarlt le materiau a essayer,
ce receptacle etant apte à etre place dans la chambre
interne par l'intermediaire des moyens d'accès; :
des moyens de passage menages dans le corps et
communiquant avec la chambre interne pour introduire un -
fluide sous pression à l'interieur de la chambre autour du
receptacle;
le fluide sous pression supportant le receptacle
à l'interieur de la chambre; ~.
des moyens comprenant un percement dans le . ~ .
receptacle, ce percement etant en communication avec le
- 6 -
~,, .: ; :
, : ~:: : ,. ., . ~
.
fluide sous pression pour é~aliser la pression a l'exterieur
du receptacle et la pression a l'interieur du receptacle;
des moyens pour appliquer par l'intermediaire
du fluide sous pression des pressions selectionnees au
materiau a essayer a l'interieur du receptacle;
le fluide sous pression assurant un maintien en
: equipression des transducteurs electroacoustiques.
Les transducteurs electroacoustiques ci-haut
definis peuvent être en particulier des transducteurs
piezoelectriques.
On donne ci-apres, à titre non limitatif, et pour
fins dlexemplification seulement, une description d'un mode
prefere de realisation d'une cellule ou dispositif suivant
l'invention ~
/
` / - ' , ` . ,
- /
/
- 7 - . ~
.,
.
' ~. `` ' ' . . ' `' ' ' ' ' ~ ' ' . ' ` ~ `
' ' ' , :,,
` ~ - ' ` ' ` '
. ,, : '
~,
~6~3
:i .` `,
et de deux schémas d'appareillage incluant cette cellule et
utilisables pour le contrôle par voie acoustique de la prise
et du durcissement de matériaux passant d'un état liquide ou
pâteux à l'état solide, notamment de ciments, cette description
étant illustrée par le dessin annexé sur lequel:
- Figure 1: Schéma d'une cellule dans laquelle les transduc-
' teurs sont disposés dans deux évidements ménagés
dans les parois de la chambre de mesure.
- Figure 2: Schéma d'un appareillage pour mesurer le temps
de transit.
- Figure 3: Schéma d'un appareillage pour mesurer l'atténuation
~ d'amplitude.
; - Figure 4: Enregistrement des signaux d'entrée et de sortie
pour différents stades de la prise du ciment.
- Figure 5: Comparaison entre deux enregistrements obtenus avec
l'appareillage selon la figure 1 et les enregis-
trements d'un consistomètre normalisé API.
- Figure 6: Amplitude du signal de sortie en fonction du temps
pour un ciment en cours de prise et ensuite de
durcissement.
- Figure 7: Schéma d'une cellule dans laquelle les transduc~
~ :,
. ~ teurs sont disposés dans les deux houchons d'ex- `~ ` ;
trémité de la chambre de mesure.
En se référant à la figure 1, la cellule~l comporte
un corps de cellule 2 de forme cylindrique dans lequel est
ménagée une cavité cylindrique 3, dite chambre de mesure,
:
` coaxiale au corps de cellule. A l'une de ses extrémités, cette ;~
cavité~se prolonge par une partie creuse 4 tronconique ~iletée
ayant même axe que la cavité 3 et dont le plus petit diamètre
est supérieur à celui de la cavité 3, cette partie tronconique
allant en slévasant et s'ouvrant à l'extérieur du corps de
cellule. La surface latérale de la partie tronconique 4 est
.
-8-
. :
, :
reliée à la surface latérale de la cavité 3 parune portée 5.
L'autre extrémité de la cavité se termine par un alésage 6 de
même axe que la cavité mais de plus grand diamètre, la surface
laterale de cet alésage étant reliée à la sur~ace latérale de
la cavité par une portée 7. L'alésage 6 est prolongé par une
partie creuse 8 tronconique filetée coaxiale à cet alésage
et dont le plus petit diamètre est supérieur à celui de la
cavité 3, ladite partie tronconique allant en s'évasant et
s'ouvrant à l'extérieur du corps de cellule. La surface latérale
de l'alésage est reliée à la surface latérale de la partie tron~
conique 8 par une portée 9. Un premier bouchon lO, comportant
un corps tronconique fileté ll surmonté d'un chapeau 12 formant
butée, est vissé sur la partie filetée correspondante de la
partie tronconique 4 et obture ainsi l'extrémité de la cavité
en regard dudit bouchon. L'étanchéité de cette obturation est
assurée par un joint 13, par exemple un joint toroidal, placé
dans une gorge circulaire 14 pratiquée dans la portée 5. Un
deuxième bouchon 15, possédant un corps tronconique 16 fileté
surmonté d'un chapeau 17 formant butée et percé d'un canal
~ 20 18 de faible section se prolongeant par un embout 19 haute
pression, est vissé sur la partie filetée correspondante de la
; partie tronconique 8 et obture ainsi l'extrémité de la cavité
du c8té de l'alésage. L'étanchéité de cette obturation est
assurée par un joint 20, par exempIe joint toroidal, placé
' ~ dans une gorge circulaire 21 pratiquée dans la portée 9. Sur
la portée 7 repose une membrane élastique 22, par exemple
métallique ou en matière élastomère, qui est maintenue en place
par une bague 23 sur laquelle s'appuie un bossage 24, de diamètre
inférieur à celui de l'alé~age 6 et supérieur au diamètre inté- `
rieur de la bague, prévu~à l'extrémité du bouchon 15. La
membrane élastique divise l'espace limité par la surface latérale
de la cavité et les extrémités irtérieures des bouchons 1~ et
~L64~8;il
.. . .
15, en deux 20nes 25 et 26 non communicantes, dont l'une, la
zone 26, présente un faible volume. Dans la partie médiane
du corps de cellule sont ménagés deux évidements cylindriques 27
1 et 28, qui ont même axe et sont disposés de part et d'autre de
la cavité 3 et dont l'axe commun rencontre l'axe de la cavité.
Chacun de ces évidements est formé par un alésage cylindrique,
respectivement 29 et 30, s'ouvrant dans la cavité et prolongé,
; vers l'extérieur du corps de cellule, par une partie cylindrique
filetée, respectivement 31 et 32, de plus grand di'amètre qui
débouche sur la surface extérieure du corps de cellule. Dans
chacun de ces évidements est monté un ensemble transducteur
électroacoustique, respectivement 33 et 34, comportant`un
- transducteur electroacoustique, respectivement 35 et 36, comme
par exemple un transducteur piézoélectrique qui est disposé dans
un support de maintien en équipression, respectivement 37 et 38,
'~ ledit transducteur étant situé au voisinage immediat de la
cavité. Ledit support comporte une partie mâle et une partie
femelle. La partie mâle du support, respectivement 39 et 40,
- consiste en un élément cylindrique coulissant dans l'alésage
20 ~ de l'évidement correspondant, respectivement 27 et 28 r et se
' ~ prolongeant par un élément cylindrique de plus faible diamètre.
Cette partie mâle comporte, dans l'extrémité tournée vers la
.
cavité, un logement, réspectivement 41 et 42 pour le transduc-
teur, ledit logement communiquant avec un canal axial, respec-
tivement 43 et 44, débouchant à l'autre extrémité de ladite
partie mâle`par une partie filetée, respectivement 45 et 46,
ledit canal servant entre autres au passage du conducteur élec-
trique, respectivement 47 et 48, d'alimentation du transducteur.
L'étanchéité du passage du conducteur est assurée par un bouchon,
respectivement49 et 50, qu} est vissé sur la partie ~iletée
terminant le canal et dans lequel ledit conducteur est monté
de manière étanche. La partie femelle, respectivement 51 et
-10-
1~;64~1~3
52, du support consiste en une bague ajustée coulissant sur
l'élément de faible diamètre de la partie mâle du support et
maintenue en place sur cet élément par un anneau de retenue,
respectivement 53 et 54, ladite bague se vissant par une partie
extérieure filetée sur la partie filetée de l'évidement cor-
respondant et comportant un chapeau de plus grand diamètre
venan~en butée contre la face extérieure du corps de cellule.
La partie ~âle du support est percée é~alement d'une part d'un
canal radial, respectivement 55 et 56, mettant en communication
la surface extérieure de ladite partie mâle avec le canal
qu'elle comporte et d'autre part d'un canal, respectivement
57 et 58, faisant communiquer le canal radial avec sa partie
extérieure du côté de la cavité. L'étanchéité de l'assemblage
du support dans l'évidement correspondant est assurée par un
joint, respectivement 59 et 60, comme par exemple un joint
i toroidal placé dans une gorge, respectivement 61 et 62, ménaqée
sur la sur~ace latérale de l'élément cylindrique de plus grand
diamètre de la partie mâle du support.
Sur le schéma d'appareillage représenté sur la figure
~o 2, le repère l désigne la cellule décrite en référence à la
figure I. Le conducteur d'alimentation du transducteur élec-
troacoustique, par exemple transducteur piézoélectrique, de
ladite cellule jouant le; rôle d'émetteur, par exemple le
conducteur 47 du transducteur 35 est connecté à travers un
interrupteur 64 actionné par un déclencheur 65, à la sortie
- d'un générateur 63 de signaux électriques de commande. L'en-
semble générateur 63, interrupteur 64 et déclencheur 65
constituant par exemple un générateur de signaux électriques
en forme d'impulsions rectangulaires. Un système de comptage
de temps 66, en particulier une horloge à quartz, rec~oit par
; une première entrée le signal électrique issu de l'interrupteur
- 64 et par une deuxième entrée le signal de sortie délivré par
--11--
- :
Q~3
le conducteur 48 du transducteur électroacoustique 36, par
exemple transducteur piézoélectrique, de la cellule 1 jouant
le rôle de récepteur. Ledit système de comptage de temps est
déclenché par le début d'émission du signal électrique im-
pulsionnel en forme d'onde rectangulaire par exemple et il
s'arrête dès que le signal de sortie du transducteur 36 arrivant
par le conducteur 48 atteint un niveau fixé. Le système de
comptage de temps dé].ivre un signal représentatif du temps de
passage des ondes acoustiques à travers le matériau contenu
dans la chambre de mesure de la cellule 1. Ledit signal est ~.
envoyé à un enregistreur 67 sur lequel s'inscrit la courbe des -.~:
variations du temps de passage, ou temps de transit,en foncti.on -
du t~mps. Un système, désigné schématiquement par le repère
68, du type comportant un ou plusieurs colliers chauffants,
chauffés électriquement~entourant le corps de la cellule 1
- et asservis par un thermocouple disposé dans le corps de ladite
cellule, permet de chauffer la cellule à la température ap-
propriée et d'assurer une régulatiol de ladite température.
Dans le cas de contrôles effectués sur des ciments destinés à :~
20~ ~être injectés dans un sondage, on peut en particulier réaliser
une montée progressive en température pour reproduire les
. conditions rencontrées par.le ciment au cours de son injection.
Lorsque l'on désire opérer dans des conditions contrôlées
de température, la cellule 1 est placée dans une enoeinte
~: calorifugée. Un système~pneumatique 69, du type hydropompe, :
~: ` :
d'amplifaction et de régulation de pression est rslié à l'embout
haute pression 19 de la cellule l pour injecter un fluide hy~
.
draulique sous pression dans la chambre 26 de la cellule 1 de ~ ::
manière à amener la pression exercée psr le fluide sur la : ~ ~;
membrane 22 de ladite cellule à la valeur appropriée et à :
réguler ladite pression. Dans le cas de contrôles effectués
; sur des ciments destinés àêtre injectés dans~un sondage, on
~ -12-
- ' :
- .
: '- . ' " " ;. ~ ~
.~ . .
~6~3
peut aussi réaliser une montée progressive en pression pour
reproduire les conditions rencontrées par le ciment au cours
de son injection.
Sur le schéma d'appareillage donné sur la figure 3,
le repère l désigne la cellule l décrite en référence à la
figure 1. On retrouve également le conducteur 47 d'alimentation
du transducteur électroacoustique 35, notamment transducteur
piézoélectrique, jouant le rôle d'émetteur et le conducteur
48 par lequel est issu le signal électrique de sortie du
transducteur électroacoustique 36, notamment transducteur
piézoélectrique, jouant le rôle de récepteur. Les repères :.
68 et 69 désignent respectivement le système de chauf~age et
de régulation de température de la cellule l et le système
pneumatique d'amplification et de régulation de pression de
ladite cellule qui ont été décrits plus en détail en ré~érence
à la ~igure 2. Un générateur électrique 7~ de bruit à fréquence
aléatoire et à amplitude sensiblement constante alimente le
conducteur 47 du transducteur 35 jouant le rôle d'émetteur.
Le conducteur ~8 du transducteur 36 jouant le rôle de récepteur
est connecté à l'entrée d'un enregistreur 71. Cet enregistreur
donne un diagramme représentant, en fonction du temps, les
variations de l'amplitude des ondes acoustiques engendrées à
partir du signal émis par le générateur de bruit et ayant
. traversé le matériau sous contrôle. L'amplitude du signal
'~ générateur étant sensiblement constante, l'amplitude du signal
recu par l'enregistreur est représentative de l'atténuation des
ondes acoustiques ayant traversé le matériau. Llutilisation ~-
dlun générateur de bruit à ~réquence aléatoire élimine les at-
ténuations du signal résultant de phénomènes de résonance lors
.~ .
du passage des ondes à travers la cellule.
La réalisation d'un essai de contrôle de la prise
et du durcissement d'un matériau passant d'un état liquide ou
.,; :: ~
. . -13- ~
:
~L~6~Q~3~
pâteux à un état solide, et en particulier d'un ciment, en
faisant appel à l'appareillage suivant l'une des figures 2
ou 3 et équipé de la cellule décrite en référence à la figure
1 peut être schématisée comme suit.
Tout d'abord la cellule 1 est ouverte par enlèvement
du bouchon 15, de la bague 23 et de la membrane 22, et les
parois de la chambre de mesure 3 sont graissées pour éviter
l'adhérence du matériau à contrôler. Ledit matériau, par exemple
ciment gaché avec de l'eau dans le cas du contrôle d'un ciment,
est placé à l'intérieur de la chambre de mesure jusqu'au
niveau de la portée 7, puis la membrane est remiseen place sur
ladite portée, la bague est posée sur la membrane, et le bouchon
15 est vissé~ En outre, on remplit d'huile les canaux de
chacun des supports des transducteurs de manière à ce que
lesdits transducteurs soient maintenus en équipression. La
¦ cellule 1 ainsi préparée contenant le matériau à contrôler
est placée dans une enceinte calorifugée et le système 68 de
chauEage de la cellule et de régulation de sa température
ainsi que le système 69 d'amplification et de régulation de la
.
20~ pression s'exercant sur la membrane 22 sont mis en marche. La
sortie du générateur d'impulsions électriques, ensemble formé
_ par le générateur 63, l'interrupteur 64 et le déclencheur 65
~dans le cas de l'appareillage de la figure 2 ou bien générateur
70 de bruit à fréquence aléatoire et à amplitude constante -
dans le cas de l'appareillage de la figure 3, est connectée
au conducteur 47 du transducteur émetteur 35 de la cellule
:
tandis que la sortie 48 du transducteur 36 de ladite cellule
est reliée soit, dans le cas de l'appareillage de la figure 2,
à l'une des entrées du système de comptage 66 dont l'autre
; 30~ entrée est connectée à la sortie de l'interrupteur 64 et la
sortie est reliée à l'enregistreur 67, soit, dans le cas de
l'appareillage de la figure 3, directement à l'enre~istreur
` "
-14- ~
. _
. - ~
~6~33
71. Lorsque la cellule se trouve dans les conditions choisies
de pression et de température, le générateur d'impulsions ou
de bruit est actionné et les impulsions électriques produites
excitent le transducteur émetteur qui produit des ondes acous-
tiques se propageant à travers la matiere à contrôler vexs le
transducteur récepteur, ce dernier transformant l'énergie
acoustique ~u'il reçoit en un signal électrique. On enregistre,
en fonction du temps, un signal représentatif soit du temps de
transit des ondes acoustiques dans le matériau sous contrôle
dans le cas de l'appareillage de la figure 2 soit de l'atténua~
tion des ondes acoustiques ayant traversé le matériau sous ~ :
contrôle dans le cas de l'appareillage de la figure 3. Dans
le cas de l'appareillage de la figure 2, le générateur d'im-
pulsions utilisé émet des impulsions électriques rectangulaires
de largeur déterminée (par exemple 10 microsecondes) qui se
¦ répètent à une cadence telle (par exemple préiode égale à 100microsecondes) que l'enregistrement correspondant à une impul-
; sion soit complètement terminé lors~ue l'impulsion suivante est
émise.
Sar la figure 4 on donne,à partird'une même origine
des temps, à savoir l'instant zéro de début d'émission d'une
impulsion rectangulaire de durée 10 microsecondes, le signal
électrique E représentant cette impulsion fourni au transducteur
,
émetteur et le signal de sortie~S du transducteur récepteur de
la cellule de l'appareillage de la figure 2 résultant de cette
impulsion pour trois stades d'évolution d'un ciment (ciment de
type CPA gaché avec 4~ ~ de son poids d'eau doucej, à savoir
ciment liquide (diagramme A), ciment en début de prise (diagramme
` B), et ciment durci (diagramme C). ~ne comparaison des diagram-
¦ ` 30 mes montre que le temps de transit des ondes a~oustiques dans :-~le matériau sous contrôle, c'est-~-dire la difference enkre
l'instant d'apparition dlun signal de niveau fixé à la sortie
-15-
.
6t4~ 3
du transducteur récepteur et l'instant de début d'émission
de l'impulsion rectangulaire d'excitation du transducteur
émetteur, diminue sensiblement lorsque le ciment évolue depuis
l'état liquide (diagramme A avec un temps de transit de 47
microsecondes), en passant par la phase de début de prise
(diagramme B avec un temps de transit de 41 microsecondes)
' pour arriver à l'état de ciment durci (diagramme C avec un
temps de transit de 30 microsecondes). En d'autres termes, la
vitesse des ondes acoustiques dans le ciment en cours d'évolu-
tion augmente sensiblement lorsque le ciment évolue de l'état
liquide, en passant par la phase de prise, jusqu'à l'état durci.
Sur la figure 5, les courbes I et II représentent,
en fonction du temps, les variations du temps de transit
mesuré en microsecondes (en abrégé ~ s) pour un ciment de la
classe G gâché avec 44 % de son poids d'eau douce et sans ad-
i ditif, cette mesure étant réalisée avec l'appareillage de la
figure 2 en utilisant des impulsions d'excitation rectangulaires
de période 100 ~ s et de largeur égale à 10 ~ s, la cellule ~`
ayant une cha~bre de~mesure présentant un diamètre de 40 mil-
limètres. La courbe I était obtenue en travaillant à la pression
atmosphérique et à une température de 48C et la courbe II
.~ correspond à une opération mise en oeuvre à 48C et sous une
pression égale à 200 bars, la montée en pression se faisant en
30 minutes à partir de l'instant de début d'émission. En outre,
sur cette même figurer la courbe III représente, avec la même
échelle des temps en abscisse, la courbe de consistance obtenue
pour un contrôle du ciment au consistomètre normalisé API. On
constate que le début de prise du ciment au consistomètre nor-
malisé (consistance atteignant 100 unités de consistance fen
abrégé U.C.J) correspond à une variation brutale du temps de
transit (courbes I et II). Le temps de pompabilité du ciment,
- dont la définition normalisée correspond au temps au bout duquel
-16-
~L~L64~
la consistance du ciment gâché atteint la valeur 100 U.C. au
consistomètre normalisé et correspond à l'abscisse tp sur le
diagramme de la figure S, correspond à une définition de 20 ~
du temps de transitO . . ,
La résistance mécanique à la compression du ciment
mesurée à la presse hydraulique après des durées de 3,25 heures,
5 heures et 24 heures était é~ale à 30 bars, 90 bars et 236
respectivement. Çette augmentation avec le temps de la résis-
tance à la compression du ciment (durcissement du ciment) cor- ''
respond à une diminution du temps de transit comme indiqué
ci-après:
Résistance à la compression: 30 90 236
(bars)
Diminution du temps de
transit (~) : 22 36 42
¦ , Pour un type de ciment donné, la connaissance de la
diminution du temps de transit des ondes acoustiques traversant
le ciment en cours de prise puis de durcissement permet d'ac-
céder d'une part à une valeur réprésentative du temps de pom-
: :20 pabilité du ciment gâché et d'autre part à la résistance à la ~ .
compression du ciment durci, cette dernière indication permet- :~
-- tant de déterminer le temps d'attente pour la reprise des opé- ~
.
~ rations de'forage du sondage soumis à l'injection de ciment.
:~ Le comportement du ciment précité peut être schématisé .~'~
' comme suit en relation avec la diminution du temps de transit: :
Diminution du tem~s Evolution du,ciment ~,
de transit (~
o Ciment liquide
0 - 10 Epaississement
! 30 10 - 20 Temps de pompabillté
22 Résistance 30 bars :~
36 Résistance 90 bars
: ~2 Résistance 236 bars
-17-
`~6~B3
En comparant les courbes I et II, on peut voir qu'à
un instant donné, dans l'intervalle correspondant à la prise
du ciment, le temps de ~ransit est plus faible lorsque la
pression est plus élevée, ce qui indique un stade d'évolution
plus avancée du ciment. Ceci montre la nécessité de connaltre
la valeur du temps de pompabilité dans les conditions réelles
de pression et de température que doit rencontrer le ciment,
surtout pour une utilisation du ciment à pression et température
élevées, pour éviter une prise en masse prématurée du ciment.
D'où l'intérêt de faire appel, pour le contrôle du ciment, à
la cellule suivant l'invention qui permet d'opérer même à des
pressions et températures élevées.
La courbe de la figure 6 représente en fonction
du temps l'amplitude du signal électrique de sortie du trans-
ducteur récepteur de la cellule 1 de l'appareillage suivant la
; figure 3, pour un ciment de type CPA (Ciment Portland Artificiel)
gaché avec 46 % d'eau douce, enopérant avec une chambre de
mesure de 40 millimètres de diamètre et dans des conditions
de température et de pression correspondant à la température
ambiante et à la pression atmosphérique. L'amplitude dudit
- signal, qui est fonction de l'atténuation des ondes acoustiques
a~ant traversé le ciment (une faible amplitude du signal cor-
respondant à une forte atténuation des ondes acoustiques et
vice versa), reste très faible tant que le ciment est liquide,
pUlS elle augmente brusquement au moment de la prise et continue
à augmenter par la suite. Le moment où le début dlévolution est
constaté correspond encore à la valeur t~p du temps de pom-
pabilité mesurée au conslstomètre normalisé API. L'impédance
acoustique du milieu continue ensuite à décroltre (atténuation
allant en diminuant) pendant le durcissement du ciment.
La connaissance des variations en fonction du temps
de l'amplitude du signal précité fonction de l'atténuation de
--18--
~64t3
`
l'amplitude des ondes acoustiques traversant le ciment en
cours d'évolution et produites par un signal d'excitation à
niveau constant~ permet encore d'accéder à une valeur repré-
~ sentative du temps de pompabilité du ciment, cette valeur
: correspondant au temps au bout duquel on observe un accrois-
sement brusque de l'amplitude dudit signal enregistré.
~' En se référant à la ~igure 7, la cellule 1 comporte
un corps de cellule 2 de forme cylindrique dans lequel est
ménagée une cavité cylindrique dont la portion médiane 3
10 constitue la chambre de mesure et dont les portions extrêmes
4 et 8 coaxiales de la portion 3 constituent deux passages
: opposés, chacun muni d'un filetage et apte à recevoir un
bouchon, 10 et 15, chacun comportant un pas de vis approprié.
Dans le passage 4 est installé un bouchon 10 compor-
tant un corps cylindrique ou piston 72 mobile en translation
dans la cavité c~lindrique 3 et prolongé par une tige cylin- :
drique coaxiale 73 coulissant dans un passage cylindrique coaxial
74 au travers d'un écrou à ~iletage extérieur 11. Cet écrou :
~ ll e~t prolongé par un chapeau annulaire 12 sur lequel sont
:`~ 20 ~ixés des leviers de serrage.
;~ L'étanchéité de l'obturation par le bouchon 10 est
obtenue à la fois par un joint 13 toro~dal placé dans une
gorge circulaire 1~ pratiquée dans le contour externe du corps
~: : cylindrique 72 et par un joint annulaire en teflon 75 disposé
~; dans un espace annulaire délimité entre le corps cylindrique . :
72, l'écrou 11 et la paroi cylindrique de la cavité 3. Le
joint 75 est séparé de l'écrou 11 par une bague d'appui 75'.
Dans le passage 8 est installé un bouchon 15 iden-
tique au bouchon 10 et comportant un corps cylindrique ou
30 piston 76 mobile en translation dans la cavité cylindrique 3
et prolongé par une tige cylindrique coaxiale 77 coulissant
dans un passage cylindrique coaxial 78 au travers d'un écrou
-19-
. --
"",
~l~L6~
à filetage extérieur 16. Cet écrou 16 est prolongé par un
chapeau annulaire 17 sur lequel sont fixés des leviers de
serrage.
L'étanchéité de l'obturation par le bouchon 1~ est
obtenue à la ~ois par un joint 20 toro~dal placé dans une gorge
circulaire 21 pratiquée dans le contour externe du corps
cylindrique 75 et par un joint annulaire en teflon 79 disposé
dans un espace annulaire délimité entre le corps cylindrique
76, l'écrou 16 et la paroi cylindrique de la cavité 3. Le
joint 79 est séparé de l'écrou 16 par une bague d'appui 79'.
Dans le corps cylindrique ou piston 72, élément du
bouchon 10, est ménagé un évidement cylindrique 27 coaxial
dans lequel est logé un ensemble transducteur électroacoustique
33, par exemple un transducteur piézoélectrique, disposé sur
un support de maintien en é~uipression, tel que le transducteur
1 33 est maintenu immergé dans un fluide transmettant la pression.
Cet ensemble transducteur électroacousti~ue 33 est relié à un
moyen d'alimentation électrique non figurée par des câbles
d'alimentation 47a et 47b. Ces câbles 47a et 47b isolés, passent
2~0 au travers de la tige cylindrique coaxiale 73 par deux percements
43a et 43b, chacun étant muni de moyens d'étanchéité non figurés.~"
De même, dans le corps cylindrique ou piston 76,
élément du bouchon 15, est ménagé un évidement 28 coaxial,
dans lequel est~logé un ensemble transducteur électroacoustlque
'~ 34/ par exemple un transducteur piézoélectrique, disposé sur un
- support de maintien en équipression tel que le transducteur 3 `~
:
est maintenu immergé dans un fluide transmettant la pression.
Cet ensemble transducteur électroacoustique 34 est relié à un
moyen d'alimentation électrique non figuré par des câbles 48a
! 30 et 48b. Ces cables 48a et 48b, isolés, passentau travers de
la tige cylindrique coaxiale 77 par deux percements 44a et 44b,
chacun étant muni de moyens d'étanchéité non figuré.
-20-
,
L'un des transducteurs, par exemple 33, est mis en
rapport avec l'alimentation au travers des moyens d'émission
et l'autre transducteur 34 est mis en rapport avec l'alimenta-
tion au travers des moyens de réception et de comptage.
Dans la zone médiane de la cavité cylindrique 3, la
paroi du corps de cellule ? est percée par un canal 18a de
faible section se prolongeant vers l'extérieur par un embout
l9a haute pression pour être connecté avec une conduite d'ali-
mentation en fluide hydraulique de pressurisation, non figurée.
La paroi du corps de cellule 2 est également percée
par un canal 18b de faible section se prolongeant vers l'exté-
rieur par une entrée l9b haute pression pour être connectée
avec une purge de dépressurisation non figurée.
A l'intérieur de la cavité cylindrique (3) délimitée
par les faces internes des bouchons (10) et (15), dite
; chambre de mesure, est logée un réc:eptacle cylindrique (80)
limité par deux fonds (81) et (82) d'épaisseurs constantes avec
surfaces planes et parallèles, ce réceptacle étant muni d'un
couvercle amovible (83) permettant le remplissage de laitier
; 20 de ciment jusqu'à un certain niveau (84), le couvercle compor-
~`~ ; tant un percement (85) pour l'égalisation de la pression par
le moyen du fluide hydraulique entre l'intérieur et l'extérieur
du réceptacle.
`~ 1e dispositif tel que décrità l'aide de la figure 7
utilise les éléments principaux mis en oeuvre pour constituer
le dispositif décrit à l'aide de la figure 1, avec une disposi-
tion qui rend le démontage et le remontage plus faciles et
rapides.
La réalisation d'un essai de contrôle de la prise
et du durcissement d'un ciment, en faisant appel à l'appareil-
7 lage suivant l'une des figures 2 ou 3 et équipé de la cellule
décrite à la figure 7 peut être schématisée comme suit.
:
-21-
La cellule (1) est ouverte par enlèvement du bouchon
(15): la cavité (3) contient alors sur ses différentes parois
une pellicule d'huile de pressurisation. Le laitier de ciment
à contrôler est alors versé dans un réceptacle (80) jusqu'à
atteindre le niveau (82), le couvercle (83) est mis en place
et bloqué. Comme la cellule (1) est montée sur un support
de telle sorte que l'axe de la cavité (3) soit sensiblement
horizontal, on peut glisser le réceptacle (80) dans cette cavité
; (3) en maintenant le couvercle (83) et donc le percement (85)
en position haute sans craindre de verser du laitier de ciment.
Le bouchon (15) est mis en place et bloqué. Une circulation
d'huile permet d'assurer un complet remplissage des espaces
résiduels de la cavité (3) avec de l'huile de pressurisation.
La cellule est alors mise en conditions de température et
de pression et le contrôle des paramètres physiques du ciment
I peut commencer.
Il est clair que l'absence de pollution de la cavite
` (3) par le ciment rend le passage d'~ne opération de contrôle
à la suivante particulièrement aisée.
~ .
.~.
,
-22-
