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La présente invention a pour objet un dispositif pour séparer
l'une de l'autre les phases d'un fluide diphasique, qui est bien
adapté pour mesurer avec précision la phase liquide après sa
séparation.
Le dispositif séparateur selon l'invention est particulièrement
adapté pour séparer les phases d'échantillons de fluide de faibles
volumes tels que ceux que l'on est amené à traiter par exemple
dans le cadre d'analyse portant sur des échantillons géologiques
que l'on a prélevés dans des puits forés jusqu'au travers de
gisements souterrains recélant des effluents pétroliers.
Dans la demande de brevet FR 93/07077 au nom du
demandeur, est décrit un système de transfert permettant de
prélever dans des cellules d'équilibre des échantillons maintenus à
des pressions élevées analogues à celles r~gnant dans des
l S formations souterraines où ils ont été initialement prélevés. Ce
système comporte une cellule de prélèvement supportant des
pressions supérieures à 100 MPa et des températures de plusieurs
centaines de degrés au-dessus ou au-dessous de 0C adaptée pour
le prélèvement de petites quantités (de l'ordre de quelques cm3)
2 O d'échantillons fluides sous pression. A des fins de mesure et
d'analyse, les fluides de la cellule de prélèvement sont transférés
dans des appareils de mesure. On peut procéder par exemple à la
détente du fluide avec un changement de sa température, de façon
à mesurer dans des conditions normales de pression et
2 5 température, la proportion de volume liquide et gazeux. A cette fin
notamment, on a besoin de bien séparer les deux phases.
Un dispositif de séparation comporte généralement un
récipient avec une entrée latérale pour l'injection d'un mélange
biphasique, qui se trouve au-dessus du niveau susceptible d'être
3 0 atteint par la phase liquide et un espace de séparation. La phase
gazeuse s'échappe par un orifice supérieur tandis que la phase
liquide est recueillie à la base du récipient.
11 est connu de désaxer le canal d'entrée latérale par rapport à
l'axe du flcon de façon à obtenir un effet de cyclone et une force
3 S centrifuge qui écarte de l'orifice supérieur, la phase liquide de
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l'échantillon, ce qui facilite la séparation des phases du fluide
injecté.
Un tel dispositif de séparation est décrit par exemple dans le
brevet US 4.713.095.
Le dispositif selon l'invention est conçu pour obtenir une
parfaite séparation d'une phase gazeuse et d'une phase liquide dans
un échantillon contenant au moins deux phases. Il comporte un
flacon pourvu d'une entrée latérale pour l'injection de l'échantillon,
cette entrée latérale étant désaxée de façon à faciliter la séparation
des phases, et d'une ouverture supérieure (2) pour l'échappement
de la phase gazeuse hors du flacon.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte un élément tubulaire fin
communiquant à une première extrémité avec l'intérieur du flacon
et à une autre extrémité avec un récipient contenant ladite
substance, la section intérieure de cet élément tubulaire étant
choisie pour que l'essentiel de la perte de charge subie par
I'échantillon injecté se produise le long de l'élément tubulaire, le
flacon étant réalisé en un matériau sensiblement transparent.
Le dispositif comporte par exemple un tube pourvu de
2 0 moyens d'étanchéité , qui est engagé dans l'ouverture supérieure et
prolongé vers l'intérieur du flacon par une extension tubulaire
disposée sensiblement suivant l'axe du flacon, dont la section est
suffisante pour que la perte de charge y soit négligeable, rapportées
à la perte de charge dans ledit élément tubulaire fin, et des moyens
2 5 pour fixer le tube au flacon. Le rapport entre la perte de charge
dans l'élément tubulaire fin et la perte de charge dans l'extension
tubulaire , est par exemple supérieure à 100
Le flacon présente par exemple un corps emlé dans sa partie
inférieure et il est gradué.
3 0 Suivant un premier mode de réalisation, le dispositif comporte
par exemple un appendice latéral pourvu d'un canal central
débouchant dans l'intérieur du flacon, qui constitue l'entrée du
flacon, un manchon tubulaire traversé par l'élément tubulaire fin
lequel est pourvu de joints d'étanchéité, le manchon étant engagé
3 5 dans l'appendice de façon que l'élément tubulaire fin soit logée
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dans le canal central, et des deuxièmes moyens de fixation pour
maintenir le manchon fixe par rapport au flacon .
Suivant un autre mode de réalisation, le dispositif peut
comporter aussi un appendice latéral pourvu d'un canal central
S débouchant dans l'intérieur du flacon, qui constitue l'entrée, un
manchon de guidage engagé dans le canal central, un disque plein
en un matériau élastique et un bouchon pour plaquer le disque
contre l'entrée du flacon, I'élément tubulaire fin (tel qu'une auguille
creuse) étant engagé le long du manchon de guidage au travers du
1 0 disque
Le dispositif peut comporter en outre des moyens de
réfrigération tel qu'un récipient pour une substance réfrigérante,
adapté à contenir au moins une par~ie du flacon par exemple.
L'agencement du dispositif est tel que la perte de charge se
15 produit dans l'élément tubulaire fin à l'entrée du flacon, la pression
dans le reste de la cellule n'est jamais supérieure à quelques bars
(S bars typiquement), alors que les fluides à transférer hors de la
cellule de confinement sont couramment à des pressions de plus de
100 bars. Le tube de sortie à la partie supérieure du flacon est
2 0 relativement large et le rapport entre les pertes de charge se
produisant à l'entrée et les pertes correspondantes à la sortie est
couramment supérieur à 100. On peut de ce fait réaliser la cellule
en verre sans risque d'éclatement même si le soutirage est effectué
rapidement, avec tous les avantages qui en découlent: transparence,
2 5 facilité de fabrication (on peut faire sans difficulté des raccords
étanches par soudure) et coût de fabrication modéré.
La séparation des phases d'un échantillon de fluides obtenue
avec le dispositif selon l'invention, est particulièrement bonne car le
tourbillon ou cyclone provoqué par l'injection tangentielle tend à
3 0 éjecter les gouttelettes de phase liquide (ou liquéfiée par
refroidissement) vers la périphérie du flacon, évitant ainsi qu'elles
ne soient entraînées vers la sortie par le mouvement de la phase
gazeuse. ~-
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L'effet de cyclone est en outre réalisé en régime transitoire
sur un volume d'échantillon limité et sans soutirage de la phase la
plus dense par le bas du flacon.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon
S I'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description
ci-après d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple non
limitatif, en se référant aux dessins annexés où:
- la Fig. 1 montre schématiquement en coupe le flacon séparateur;
- la Fig.2 montre schématiquement comment le tube d'entrée du
10 fluide est désaxé par rapport à l'axe du flacon qui permet
d'obtenir l'effet de cyclone qui aide à la bonne séparation des
phases;
- la Fig.3 montre un exemple d'application du dispositif; et
- les Fig.4, 5 montrent un deuxième mode de réalisation du flacon
15 séparateur pourvu de moyens d'injection à aiguille creuse.
Le flacon-séparateur selon l'invention comporte un corps
effilé 1 réalisé en un matériau transparent, de forme conique par
exemple vers sa base, qui est terminé à son extrémité opposée, par
une tête 2 pourvue d'un filetage pour le vissage d'un bouchon 3. Au
2 0 travers de ce bouchon 3, passe un tube métallique 4 de section
sensiblement égale à la section intérieure du corps dans sa partie
supérieure. Le tube 4 est enfoncé dans ce flacon et tenu en place
par vissage du bouchon 3 sur la tête 2. Des joints d'étanchéité S
sont placés autour du tube 4 au voisinage de son extrémité. Ce tube
2 5 4 est prolongé vers l'intérieur du corps par une extension tubulaire
6 de section plus faible.
Le flacon comporte un appendice latéral creux 7 pour
l'injection de l'échantillon fluide à séparer qui débouche par un
canal fin 8 (Fig.2) à l'intérieur du corps, au-dessus du niveau de la
3 0 base de l'extension tubulaire 6. L' axe B du canal est décalé
latéralement par rapport à l'axe de symétrie A du flacon de façon
que le fluide arrive par exemple tangentiellement à la paroi
intérieure du corps. L'appendice latéral 7 est terminé par une tête 9
pourvue d'un filetage pour le vissage d'un deuxième bouchon 10.
3 5 Au travers de ce bouchon 10, passe un manchon métallique
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tubulaire 11 qui est traversé suivant son axe par une canalisation
12 de faible section adaptée à celle du canal fin 8. Le vissage du
deuxième bouchon 10 par l'intermédiaire d'un joint 13, a pour effet
de maintenir le manchon métallique 11 en place et d'engager de la
S canalisation 12 dans le canal 8 jusqu'au voisinage immédiat de
l'orifice d'entrée de celui-ci dans le corps. Des joints d'étanchéité 14
sont placés autour de la canalisation 12 au voisinage de son
extrémité de façon à minimiser le volume mort. La canalisation 12
est reliée extérieurement avec un r~cipient C contenant l'échantillon
10 de fluide qu'il s'agit de séparer, eventuellement sous une pression
très élevée (de 100 à 200 MPa par exemple).
A son extrémité opposée à l'extension 6, le tube 4 est associé à
une bague filetée 16 permettant de le connecter à un récipient R où
l'on veut recueillir la phase gazeuse.
La section de la canalisation 12 est choisie très inférieure à
celle de la canalisation de sortie (4, 6) de façon que si le fluide issu
du récipient C est à une pression très élevée, la quasi-totalité de la
perte de charge qu'il subit soit reportée en amont du flacon
séparateur tenant à une pression relativement faible (de 0,5 à
1 MPa par exemple). La baisse de pression intervenant en amont
du flacon, la séparation ou démixion des phases est plus facile.
De préférence, la partie inférieure du flacon est graduée en
unités de volume, ce qui permet une lecture directe du volume de
phase liquide qui s'accumule à la base.
2 5 L'échantillon de fluide polyphasique est injecté par la
canalisation 1~. Du fait que le canal fin 8 est désaxé, le fluide subit
une force centrifuge qui le fait tourbillonner le long de la paroi
intérieure du flacon (effet de cyclone). Les gouttes de la phase
liquide tendent donc à être plaquées contre la paroi, et écartées de
3 0 ce fait de l'extension tubulaire 6 dans l'axe du flacon, par où
s'échappe la phase gazeuse. La quantité de liquide qui peut être
entraînée par le gaz est donc très réduite.
Le dispositif de séparation peut comporter en outre des
moyens pour réfrigérer la partie inférieure du flacon 1. Ces moyens
3 5 sont constitues par exemple d'un récipient 17 contenant une
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substance réfrigérante telle que de l'azote liquide. La réfrigération
du flacon favorise la liquéfaction des gaz condensables qui sont
entraînés vers la partie basse du flacon par la force centrifuge.
Suivant le mode de réalisation schématisé aux Fig.4, 5, le canal
S fin 8 est doublé, sur une partie de sa longueur, par un manchon 21
en un matériau plastique tel que du Téflon par exemple. On ferme
le col terminal de l'appendice 7 par application d'un disque ou
septum 22 en élastomère qui est maintenu par un bouchon fileté
vissé 23. La communication entre l'extension tubulaire 6 et le
réservoir de collecte R de la fraction gazeuse du fluide, peut être
contrôlée en interposant une vanne 24 logée dans la partie
supérieure du corps
L'injection de l'échantillon fluide est effectuée en reliant la
canalisation 12 issue du récipient C, à une aiguille creuse 25
pourvue de préférence d'une extrémité en biseau. Pour réaliser une
injection, il suffit d'enfoncer l'aiguille 25 dans l'axe du manchon 21,
jusqu'au voisinage de l'extension tubulaire 6, au travers du disque
22.
Ce mode de réalisation est avantageux car il simplifie les
2 0 opérations de mise en communication du récipient C avec le flacon
séparateur et aussi leur séparation, le retrait de l'aiguille isolant de
nouveau le flacon. En outre, la finesse du canal central de l'aiguille
25 est favorable pour obtenir une perte de charge très importante
au niveau de l'entrée du flacon, comme on l'a déjà vu.
2 5 Le dispositif de séparation de phases selon l'invention peut
être utilisé notamment pour séparer les phases d'échantillons
fluides tenus à des températures élevées (entre 0 et 200C par
exemple) et des pressions élevées (supérieures à 100 MPa par
exemple) et que l'on détend afin de procéder à leur analyse, telle
que le décrit la demande de brevet FR EN 93/07077 précitée.
L'échantillon fluide à séparer (Fig. 3 à 5) est contenu dans une
cellule de prélèvement C. Au moyen d'un vérin 18 et sous le
contrôle d'une vanne V, on injecte l'échantillon dans le flacon
séparateur 1 de préférence réfrigéré, de façon à recueillir à la base
3 5 la phase liquide et d'éventuels dépôts solides. La fraction gazeuse
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de l'échantillon, s'échappant par le tube 6, est recueillie dans un
gazomètre lg maintenu sous pression constante par un moteur
asservi en pression 20.
